英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于离散裂纹模型的纤维钢筋混凝土的多尺度失效分析
Guillermo Etse · Antonio Caggiano · Sonia Vrech
Received: 4 January 2012 / Accepted: 17 May 2012 / Published online: 29 June 2012 copy; Springer Science Business Media B.V. 2012
摘要
在这项工作中，在两个方面对界面模型预测钢纤维增强水泥复合材料（SFRCC）的失效行为的能力进行了评估。分别是界面模型基于作用在关节平面上的双曲线最大强度指标定理和剪切应力分量。前峰状态被认为是线性弹性，而后峰行为是根据故障模式I和/或II下的断裂能量释放来制定的。已知的“混合理论”被用于建模纤维与周围水泥质复合材料之间的相互作用。在纤维和水泥基复合材料之间的相互作用机理的制定中，考虑了轴向力对由正态相对位移引起的纤维的作用，以及由于界面中的切向相对位移而产生的过孔作用。在描述界面模型之后，本工作重点介绍了SFRCC故障行为的数值分析。首先，通过比较其数值预测与实验结果的可靠性，对界面模型进行了非线性分析。然后，评估了SFRCC界面理论对复合材料成分主要参数变化的敏感性。最后，注意力集中在SFRCC故障行为和光学粒子观测的有限元（FE）分析上。结果表明基于混合理论的界面理论的能力，重现了纤维素含量和相关断裂模式的SRFCC间断失效行为的主要特征。
关键词 SFRCC·断裂·塑性·中尺度·零厚度接口
1引言
钢筋混凝土增强水泥复合材料（SFRCC）是通过混合基础混凝土混合材料获得的，其材料应用于土工程应用，特别是与结构相关的方面（Ferro et al. 2007; di Prisco et al. 2009）。
SFRCC的主要优点是结构部件的延性改善和最终或裂纹阶段残余强度的显著提高（Barros和Figueiras 1999）。特别是在后期峰值期间，由SFRCC构成的结构优异的延展性被认为是I型失效型（Gopalaratnam和Gettu，1995）和混合失效模式（Carpinteri和Brighenti，2010）。
最近发表的几篇关于SFRCC的机械特征的实验研究陈述了它的相关方面。其中，我们在此引用了对Ferrara和Meda（2006）对纤维分布的可操作性依赖性的评估，以及Gettu等人对压实程序的取向（2005年）。此外，Shannag等人的工作（1997）定义了管理退出行为的机制，以及Buratti等人的机制（2011）。和Tlemat等人（2006）分析了三点和四点弯曲试验的后裂纹行为。最后，还应该注意到Fantilli等人（2011）承受多轴压缩状态的SFRCC的失效行为评估以及Liu等人对Brazilian的测试条件。（1997年）
已经提出了大量的经典模型和数值工具，目的是在材料和结构层面上实际预测混凝土的破碎和破坏行为。而Jirasek等人中给出了关于建模混凝土破坏行为的组合理论的扩展文献综述。（2000年）。
传统上，混凝土裂缝通过经典的连续体或模糊裂纹方法进行处理，其中断裂带被认为分布在固体的某个区域（de Borst和Guitirrez 1999）。尽管从计算的角度考虑其优点，但是基于模糊裂纹方法的经典混凝土模型在定位带宽方面存在强大的FE尺寸依赖性，见a.o. Oliver（1989）和Rots等人的贡献（1985）。提出了不同的正则化程序，以避免涂抹裂纹方法的严重缺陷。一方面，基于断裂力学概念的连续模型导致了断裂能分布的不均匀性，从而破坏了变形模式的客观性。参考BazantandOh（1983），Willametal(1984），Etse和Willam（1994），Shah（1990），Carpinteri等人，其他的基于断裂能的复合材料，（1997），Comi and Perego（2001），Duan et al（2007）和MeschkeandDumstorff（2007）。另一方面，复杂的组织理论在控制方程变得不适时提出了解决方案。它们基于依赖性，高等级理论，微观理论等。其中我们参考Vardoulakis和Aifantis（1991），de Borst et al（1995），Peerlings et al（2004），Lee和Fenves（1998），Carosio et al（2000），Etse et al。 （2003），Vrech和Etse（2009）等。
旨在将应变或者将位移不连续性纳入标准FE程序的离散裂纹方法（DCAs）逐渐成为涂抹裂纹方法的有吸引力和有效的替代方法。最近几年的几个提案目前在FE域内引入了突破性的连续性。（E-FEM）（Dvorkin et al。1990; Oliver et al。2002; Armero and Linder 2009），扩散有限元法（X-FEM）（Wells and Sluys 2001; Liu et al。2011 ），晶格模型方法（van Mier et al.2002; Yip et al。2006），粒子模型（Bazant et al。1990; Jirasek和Bazant1994），混合 - 基于Trefftzstress的制定（KaczmarczykandPearce2009），无元素Galerkin（Belytschkoetal。 1995; Singhetal.2011）和零厚度界面模型（Carol et al。1997; Dias-da Costa et al。2010）。
在分辨率对比的框架中的不同过程中，由于所涉及的数字工具的简单性，作为非线性记录的非线性位置场，所以基于零厚度的界面元素是特别有意义的。 最近，作者（Caggiano等，2012a）提出了SFRCC的界面模型，其中包括钢纤维和混凝土/砂浆之间的相互作用。基于通过卡罗拉特平衡混凝土的内应力 - 应变张力（1997），Caggiano等人的SFRCC界面配方。 （2012a）使用TrusdellandToupin（1960）着名的“MixtureTheory”来计算混凝土/砂浆相互作用。界面的后峰行为基于断裂能量概念，而钢纤维和断裂模式I和II中的周围混凝土/砂浆之间的复杂相互作用分别通过粘合滑移模型和基于定子强度的配方来考虑。
在介绍了SFRCC接口模型的主要特点后，本文重点介绍其在宏观和中观观测尺度预测能力的评估。结果表明，SFRCC的界面模型对每个复合材料的基本性能都存在影响，以及混合组分之间的相互作用机制的敏感性。此外，结果表明界面模型在模式I和II类型的裂缝下由SFRCC制成的结构部件来分析复杂故障行为时具有相当的准确性。
2复合材料模型与混合理论
假设SFRCC是由纯混凝土矩阵和随机分布的纤维制成的复合材料。在正常剪切应力分量= [sigma;,tau;]方面，SFRCC的开裂行为已经被制定在与相应的相对位移有关的界面水平上，表示上标“t”的ut = [u,v]转置矢量操作。该模型的详细描述及其关键特征和能力已经在Caggiano等人的文献中有详细记载。（2012a）。
采用Trusdelland Toupin（1960）的“混合理论”，旨在介绍纤维在普通混凝土开裂过程中的作用。一方面，纤维在轴向应力下的桥接效应通过考虑与周围混凝土基体的粘合来明确考虑（Caggiano和Martinelli 2012）。另一方面，它们的定位作用被模拟为在纤维横向上的裂缝两侧的相对位移的可能约束。后者的数目主要与钢筋相关，可忽略塑料纤维的影响。
根据混合物理论的基础上，可为每种成分的应力变化率的加权和来获得的复合界面应力的速率（Oliver等人，2008），如
) (1)
分别是通过每个组分＃的体积分数rho;#定义的加权函数，其中i和f分别是指界面和纤维; 中，为穿过界面的纤维数量; 和分别与轴向和切向纤维应变和相关的单一纤维的粘合滑移和榫钉效应的和。它们可被表示为= / 和= / ，分别为纤维长度， = u·单纤维的轴向位移， = u·为横向位移。因此，和分别是光纤中的单位向量和其法线方向。
所提出的接口公式可以在SFRCC的故障行为的宏观和中观分析中使用（图1）。 在最后一种情况下，SFRCC的界面用于模拟砂浆中所有关节的行为，而在灰浆和聚集体之间的所有连接面中使用普通混凝土的界面配方。
通过Soroushian和Lee（1990）提出的表达来评估每个界面的交叉纤维数量，
（2）
是光纤含量的，而和分别是单根光纤的交叉区域和接口面积。方向因素是根据同一作者提出的公式来考虑的
(3)
和 是穿过界面的单根纤维的空间倾斜角。
在该公式中不考虑纤维的随机分布。 这可以在良好的统计程序的框架内处理。 目前的接口模型处理（图2）中给出的方案，其中考虑了穿过接口的光纤之间的规则等角间隔。为了简单起见，认为每个通用光纤在其中间长度处穿过接口线。
公式的加权函数（1）对于平面界面被假定为等于1，而可以表示为
(4)
其中是单根纤维的纤维含量，考虑到纤维贡献对总强度的有效衰减，因为纤维含量随着材料参数的校准而增加。如果将假设为空，则=导致“混合理论”的经典情况。值得注意的是，并代入式（2）得到：
(5)
图1:混凝土样品（a），中尺度方案（b），砂浆和砂浆 - 骨料（c）和SFRCC界面建模（d）
(a)
图2:考虑穿过界面的纤维：举例说，1,2,3,4,5和6增强物的情况
3混凝土界面模型
这项工作中普通混凝土的界面配方由Carol等人提出。（1997年）。描述普通混凝土界面的破坏行为的本构方程总结在表1中。它们在可塑性流动理论的框架中制定。在表C中表示完全非耦合的正切/切向弹性刚度算子
(6)
和分别是正常和切向界面刚度。
速率形式结构的本构方程
(7)
(8)
(9)
其中是界面中相对位移速率的向量，分解为弹性和塑性分量和。 此外是在界面的正向和切向方向上定义的应力率矢量。
（图3）的三参数双曲线在Carol et al（1997）被认为是根据拉伸强度，内聚力c和内摩擦角定义的失效标准。
考虑非相关联的塑性流动规则，其中梯度矢量m定义界面中等效断裂位移的方向。可以通过将变换算子A应用于产量条件n的梯度向量来获得m。后裂解制度中屈服准则的演变基于模式I和/或混合模式II，的裂缝过程所花费的能量与相应的断裂能量和之间存在一定的比例，这些比例被认为是材料的固有参数。因分为：
—— 模式I断裂类型：裂纹过程沿着（图3）的水平轴激活最大强度表面;
——渐近模式II型断裂：裂纹过程由任意法向应力下的剪切应力决定。 在高压缩应力的情况下，失效准则接近（图3）中概述的莫尔 - 库仑表面。
表1中的演化规律对于屈服条件的每个内部参数是有效的，它们是 ， 或。该方程式根据缩放函数 定义内部参数从其初始值到残差的演化， 。材料制剂的进一步的细节在Caggiano等人给出（2012a）。
表1 普通混凝土/砂浆
|
基于断裂的能量公式 |
||
|
组成方程 |
|
|
|
产量条件 |
||
|
流量规则 |
|
|
|
破解工作进化 |
||
|
进化规律 |
||
|
库恩 - 塔克条件 |
||
的界面本构模型
图3卡罗尔等人的失效双曲线 （1997），Mohr-Coulomb表面和塑性流动规律的界面模型
4纤维与混凝土的相互作用
钢纤维特征采用非线性本构模型。本节介绍了裂缝开口上的桥接现象的粘滑效应和机构结构。
4.1纤维在混凝土裂缝上的粘合滑移行为
通过纤维的混凝土中的断裂开口过程，由于纤维的轴向力，对两个裂缝侧的桥接效应起作用。纤维和混凝土基体之间的粘结控制了桥接效应。纤维上的轴向（拉伸）应力等于在嵌入混凝土基体内的纤维的横向接触表面的剪切应力。在这些简化的假设下，考虑到每个通用纤维在其中间长度上跨越断裂线，，可以提出以下平衡方程
(10)
其中是纤维轴向拉伸应力，是纤维和周围混凝土之间的局部粘结应力，是纤维直径。
提出了双线性剪切滑移法，对纤维混凝土脱粘工艺进行了模拟，结果如下
(11)
其中被定义为在横坐标x处的光纤和混凝土之间的切向位移。正常数和分别表示这种粘合滑移关系的弹性和软化倾斜度;是剪切粘合强度，而和分别是弹性和极限滑移。在作者发表的前期作品中提出了该数值模型的完整推导及其对粘滑试验的验证，参见Caggiano et al.（2011）和Caggiano等人（2012b）。
4.2纤维
全文共21148字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144079]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
