关键词： 大坝混凝土   泊松效应   加卸荷徐变   细观尺度   数值计算  

摘要： 在大坝混凝土温度应力场仿真计算和实测应力反馈分析时,徐变是一个不可忽略的重要因素。目前混凝土大坝工程上广泛采用的弹性徐变理论和方法隐含了弹性泊松比、徐变泊松比和有效徐变泊松比相等的假设。然而,由于徐变试验条件和应变测量方式等的差异,导致该假设存在争议。为了准确掌握大坝混凝土的真实应力状态,本文设计并开展统一试验条件下的大坝混凝土单轴压缩和常规三轴加、卸荷徐变试验,挖掘弹性泊松比、徐变泊松比和有效徐变泊松比的内在关系,进而基于试验实测徐变数据,开展细观尺度湿筛二级配大坝混凝土徐变数值计算反馈,探索混凝土中砂浆的弹性模量、弹性泊松比、徐变度和徐变泊松比的变化规律。主要研究内容如下:(1)大坝混凝土单轴和常规三轴加、卸荷徐变试验研究。结合水胶比0.5,粉煤灰掺量35%的大坝混凝土,设计并开展了统一试验条件下不同加载龄期的单轴压缩徐变试验(3d/14d/28d/60d)和常规三轴压缩徐变试验(14d/28d/60d),获得了相对完备的加、卸荷徐变试验曲线;接着引入Savitzky-Golay滤波器对徐变试验数据进行除噪处理,进而基于除噪处理后的徐变试验数据,研究单轴与常规三轴徐变试验各个阶段的应变变化规律。分析表明,①单轴应力状态下,相同加载龄期的纵、横向瞬时弹性应变恢复系数ξ和ξ大致相等,且随加载龄期的增大而增大,范围一般在0.7～0.9之间。常规三轴应力状态下,相同加载龄期的ξ和ξ同样基本相等,并且其值与加载龄期无明显关系,一般均在0.8左右;②统一试验条件下的徐变试验数据存在基本相同的噪声,而S-G滤波器在W=9和N=6的滤波器参数组合下,能够获得最优的除噪效果;③单轴应力状态下,纵、横向徐变应变ε和ε均随加载龄期的增大而减小,而纵、横向徐变恢复应变ε和ε则随加载龄期的增大而增大。常规三轴应力状态下,不同加载龄期的纵向徐变应变c-V基本相同,横向徐变应变ε略有减小,相对应的纵、横向徐变恢复应变ε和ε均相差较小。(2)大坝混凝土在不同龄期与应力状态下泊松比关系研究。基于除噪处理后的徐变试验全过程应变,对单轴压缩徐变试验和常规三轴徐变试验加、卸荷阶段的弹性泊松比,持荷阶段的徐变泊松比和有效徐变泊松比,以及卸荷后的徐变恢复泊松比进行了计算分析。结果表明,①单轴和常规三轴应力状态下,当考虑徐变(恢复)应变叠加弹性应变时,计算徐变泊松比和徐变恢复泊松比的效果更为理想。同时,对于常规三轴应力状态下的泊松比计算,采用Jordaan-Illston公式的效果更好;②单轴应力状态下,相同加载龄期的加、卸荷全过程泊松比存在v≥(v≈v)>vc+elU的大小关系,即徐变恢复泊松比v最大,弹性泊松比v、v与徐变泊松比v不相等。加、卸荷全过程的各种泊松比与加载龄期的相关性不强,范围一般在0.10～0.20之间;③常规三轴应力状态下,同一加载龄期的泊松比存在(v≈v)≥v>v的大小关系,弹性泊松比v(el)、v与徐变泊松比v同样不相等。不同加载龄期下,加、卸荷全过程中的各种泊松比均在0.25～0.30之间,并大于单轴应力状态下相应的各种泊松比;④常规三轴应力状态下,各个方向上的有效徐变泊松比v和有效徐变恢复泊松比v的差异均较大,这表明多轴应力状态下各个方向上的徐变(恢复)应变并不完全独立。同时,相同加载龄期下的有效徐变泊松比v与徐变泊松比v、弹性泊松比v和v之间同样存在较大差异。(3)大坝混凝土细观尺度下徐变数值计算反馈。将混凝土视为由骨料、砂浆以及二者之间的界面过渡层组成的三相复合材料,建立了混凝土细观尺度下的徐变有限元模型。首先基于单轴压缩徐变试验加荷阶段的实测应变,优化反演了骨料的弹性模量和泊松比以及砂浆的弹性模量表达式和弹性泊松比,接着基于持荷阶段的混凝土实测徐变度反馈了砂浆徐变度表达式和徐变泊松比。结果表明,①砂浆具有与混凝土相似的力学特性,引入大坝混凝土中常用的组合指数式和八参数徐变度模型分别来描述砂浆的弹性模量和徐变度变化是合理且有效的;②基于实测应变反演获得的骨料、砂浆弹性泊松比在0.13～0.20之间,砂浆徐变泊松比约为0.125。并且,混凝土中砂浆的徐变度一般是混凝土实测徐变度的2.5倍;③骨料和砂浆的参数反演结果表明,进行混凝土细观尺度数值计算时,有必要基于试验实测值反演给出各组成部分的力学参数。对于砂浆的徐变度参数,采用优化反演和优化辨识相结合的方法能够更加高效的获得。

关键词： 砂土   管桩   超固结比   泊松效应   荷载传递模型  

摘要： 为了分析超固结状态及泊松效应对砂土-管桩界面剪切特性的影响,在传统双曲线荷载传递模型的基础上,采用考虑超固结比的侧向土压力系数,计入由泊松效应引起的侧向土压力增加值,建立能同时考虑砂土超固结比及管桩泊松效应的界面荷载传递模型,对其可靠性进行验证。通过算例对极限摩阻力影响因素进行分析,结果表明:超固结比从1.0增大到3.0,抗压桩和抗拔桩极限摩阻力近似呈线性增大,抗压桩提高约83.6%,抗拔桩提高约92.9%;泊松比从0.1增大到0.3,抗压桩极限摩阻力呈线性增大,提高约3.5%;抗拔桩极限摩阻力呈线性减小,降低约3.6%;桩土模量比从300增大到1 500,抗压桩极限摩阻力降低约7.6%;抗拔桩极限摩阻力提高约9.6%。

关键词： viscoelastic functionally graded micro-beam   size-dependent behaviors   size effect   functionally graded effect   Poisson effect space  

摘要： A size-dependent continuum-based model is developed for the functionally graded(FG)Timoshenko micro-beams with viscoelastic properties,in which material parameters vary according to the power law along its axial *** size effect is incorporated by employing the modified couple stress theory and Kelvin-Voigt viscoelastic model,so that viscous components are included in the stress and the deviatoric segments of the symmetric couple stress *** components of strain,curvature,stress and couple stress are formulated by combining them with the Timoshenko beam *** on the Hamilton principle,the governing differential equations and boundary conditions for the micro-beam are expressed with arbitrary beam section shape and arbitrary type of *** size effect,FG effect,Poisson effect,and the influence of the beam section shape on the mechanical behaviors of viscoelastic FG micro-beams are investigated by taking the simply supported micro-beam subjected to point load as an *** show that the size effect on deflection,normal stress and couple stress are obvious when the size of the micro-beam is small enough,and the FG effects are obvious when the size of the micro-beam is large ***,the Poisson ratio influences the size effect significantly and the beam section shape is also an important factor influencing the mechanical behavior of the micro-beam.

关键词： 第一性原理计算   Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物   负泊松比   机器学习   随机森林  

摘要： 负泊松比材料具有反常的力学性能,在单轴压缩（拉伸）时发生横向收缩（膨胀）,通常具有良好的抗断裂性、抗剪切能力和能量吸收能力。由于其优异的力学性能,负泊松比材料在航空航天、医疗设备、国防工程等领域有着广泛的应用前景。目前工业界广泛使用的是人造负泊松比材料。但人造泊松比材料生产成本高,基本都是通过结构设计实现负泊松比效应,难以赋予材料良好的电学性质,并且制作成本较高,成为负泊松比材料从实验室走向工业化的瓶颈。因此科研人员非常关注天然负泊松比材料的研究,希望发现更多天然负泊松比材料,尤其是具有优良电学性质的负泊松比材料,推动负泊松比功能性材料的发展。但是目前已被发现的天然负泊松比材料较少,难以满足相关行业的需求。传统的研究材料泊松效应的方法通过实验测量或者高通量计算的方式进行筛选,这会耗费大量的人力成本和时间成本。机器学习算法与理论计算的结合可以大大加快材料泊松效应的研究速度。通过学习已计算出的材料的泊松比,构建出模型对大量其他材料的泊松比进行精确预测,从而可以快速筛选出具有负泊松比效应的材料,并重点研究其中的半导体材料。本论文利用已有材料的泊松比值,通过机器学习构建了预测材料泊松比值的回归模型,该模型能够准确大量材料的泊松比值。进一步通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,详细研究了Ⅳ-Ⅵ族类黑磷硫族化合物的负泊松比效应和半导体性质,并对其负泊松比产生机制进行了讨论,发现了其层间距离对整体材料负泊松比的决定性作用。本论文的主要工作如下:（1）使用pymatgen程序包收集了 Materials Project数据库5000种材料的晶体结构、化学组成及各向同性泊松比值。做好数据预处理之后对材料的元素组成和空间结构进行特征提取,得到了 135个特征量,然后利用随机森林算法构建材料泊松比值预测模型。最后我们使用10折交叉法来验证模型的稳健性,计算得到模型的评估参数R2test=0.812,RMSEtest=0.074,说明模型能够准确地预测材料的各向同性泊松比值。（2）我们重点研究了具有负泊松比效应的Ⅳ-Ⅵ族类黑磷硫族化合物,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算得到Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物GeS、GeSe、SnS和SnSe基态下的晶格常数、键长键角和带隙值,并对比了理论计算所得晶格常数与实验测量的误差。同时,我们讨论了 Ⅳ-Ⅵ族类黑磷硫族化合物的半导体特性,分析其在armchair和zigzag方向±10%应变下的带隙值变化规律。（3）优化好Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物的结构之后,我们对其晶体结构的b（zigzag）方向和a（armchair）方向分别施加±10%的单轴应变,发现沿b方向施加应变时,四种硫族化合物的c方向均出现了反常的力学现象,其中GeS出现了罕见的双边膨胀现象,即无论是对其b方向进行拉伸还是压缩,c方向均会膨胀,而另外三种材料均产生了负泊松比效应,GeSe、SnS和SnSe在zigzag方向和垂直方向的泊松比值（NPR）分别为vbc=-0.015/-0.046/-0.042。对a方向施加单轴应变时,我们发现Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物体材料的层内高度也产生负泊松比效应。（4）通过分析Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物体材料在单轴应变下晶格结构、键长键角、层内高度和层间距离的变化,我们讨论了其负泊松比产生的机制,发现Ⅳ-Ⅵ类黑磷体材料c方向产生负泊松比效应主要取决于材料的层间距离,这与其相对应的二维材料不同,说明体材料层与层之间的范德瓦尔斯相互作用对材料的力学表现起到了重要作用。

关键词： 填料   低液限粉土   泊松效应   应力释放孔   冻胀   抑制效果   水分迁移  

摘要： 通过室内单向冻结试验,进行在路基中设置应力释放孔、利用泊松效应抑制低液限粉土填料冻胀效果的研究。结果表明:应力释放孔能有效地抑制土体竖向冻胀,且抑制效果随孔洞率增大而更加显著,当初始含水率为22.6%时,孔洞率为1%,2%和4%的试样对应的冻胀变形分别为3.70,2.85和1.03mm,仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形的50.48%,38.88%和14.05%;初始含水率为20.7%时,孔洞率为1%,2%和4%的试样对应的冻胀变形分别为2.81,2.05和0.83 mm,仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形的48.36%,35.28%和14.29%;含水率是影响冻胀的最主要因素,当试样的孔洞率一定时,初始含水率越高,土体的冻胀变形越大;设置应力释放孔对土样冻结后水分迁移的影响较小,水分迁移规律基本与未设置应力释放孔试样一致。

关键词： 高强次轻混凝土   应力-应变关系   泊松比   弹性模量  

摘要： 用页岩陶粒取代部分天然粗骨料,配制高强次轻混凝土,进行了高强次轻混凝土的力学性能试验。研究了陶粒的不同体积取代率对高强次轻混凝土的应力-应变关系以及泊松比的影响。试验结果表明,随着陶粒取代率的增加,高强次轻混凝土的弹性模量有所降低,泊松比比普通混凝土较大。同时,高强次轻混凝土的应力-应变曲线在形状上与普通混凝土相似,峰值点应力和应变随着陶粒取代率的增加而增加。在考虑原点切线模量、峰值点割线模量和峰值点应变等参数的基础上,提出了基于Sazen模型的高强次轻混凝土的应力-应变关系模型。

关键词： 拓扑优化   一体化设计   正泊松比   负泊松比   泊松效应  

摘要： 为实现含有不同泊松比组分复合材料的优化设计,并考虑宏观结构及复杂的边界条件,提出了考虑泊松效应的材料/结构一体化设计方法,其显著特征在于不同组分材料中引入了泊松比插值,假设宏观结构由周期性排列的复合材料组成,复合材料含两种各向同性且泊松比不同的组分材料,以静态问题中柔顺度最小化或动态问题中特征值最大化为目标以及宏微观体积比为约束建立了拓扑优化模型。采用均匀化理论预测了复合材料等效性能,推导了目标函数对宏微观密度变量的敏度表达式。分别采用密度过滤和敏度过滤来消除宏微观拓扑优化中的不稳定性现象。采用优化准则法分别更新宏观、微观密度变量,考察了微观体积比和组分材料泊松比参数对优化结果的影响。三维数值算例结果表明所提出的一体化方法具有可行性和优越性。

关键词： 斜拉桥   组合梁   混凝土板   泊松效应   横向应力   横向应变   开裂   空间网格模型   板壳单元模型   有限元法  

摘要： 为了研究泊松效应对组合梁斜拉桥混凝土板内力的影响,探究混凝土板纵向开裂的原因,以国内某主跨480m的组合梁斜拉桥为工程背景,采用有限元法分别建立全桥空间网格模型(未考虑泊松效应)和板壳单元模型(考虑泊松效应),从弹性理论的角度探索了组合梁混凝土板的泊松效应,计算辅助墩墩顶5个节段和主跨四分点5个节段混凝土顶板的横向应力和横向应变。计算结果表明:在辅助墩墩顶及主跨四分点处混凝土板的纵向压应力较大,2种模型的混凝土板横向应力也基本处于压应力状态;按照空间网格模型计算得到混凝土板的横向应变基本为压应变,而按板壳单元模型计算得到的混凝土板的横向多处于拉应变状态,接近于混凝土双向受力状态下的极限拉应变;该组合梁混凝土顶板的泊松效应明显,其产生的横向应变是混凝土板纵向开裂的主要原因。

关键词： 桩基   竖向荷载   泊松效应   弹塑性   边界面  

摘要： 本文提出了一种能考虑泊松效应影响的弹塑性荷载传递模型(t-z模型)。该模型既能反映不同材料的桩基在同一土体中抗压承载力的不同,也能反映同一材料桩基在同一土体中桩身抗压摩阻力与抗拔摩阻力的不同,同时还具备模拟循环荷载下t-z曲线滞回特性的能力。根据位移协调算法编制了可用于竖向压、拔荷载作用下单桩响应分析的Matlab程序,利用程序对模型试验进行了模拟,结果对比证明了该模型的适用性。最后分析了桩体弹性模量对压、拔极限摩阻力比值的影响,结果表明,该比值随弹性模量的减小而减小,对于混凝土桩,该值介于0.6~0.8之间,与规范建议的抗拔系数接近。

关键词： 主缆   弹性模量   温度   跨径   垂跨比   泊松效应   预紧力  

摘要： 主缆是大跨径悬索桥施工过程中最关键的环节,主缆的线形及受力容易受温度、主缆弹模、塔偏等多种因素的影响,施工过程中必须通过精确的计算保证主缆线形和受力。在特殊情况下为满足工期的需要对工序需进行调整时,应当对该调整对附属结构产生的影响进行计算,保证结构成桥的线形和受力状态。本文围绕悬索桥主缆系统控制及其泊松效应影响进行研究,主要内容如下:首先,介绍了不同的主缆线形计算理论,包括抛物线理论、虚拟梁法、分段悬链线法以及有限元法,总结了不同理论的优缺点,指出成桥状态下的主缆线形计算及无应力长度计算应当采用分段悬链线理论进行计算;对于施工过程中结构的受力状态应当采用有限元法分析。其次,结合工程实例介绍了悬索桥主缆基准索股与一般索股的架设方法,根据工程经验提出了一般索股架设过程中预抬高的建议;分析了锚跨张力调整的两种方法,指出锚跨张力应当于每根索股架设完成后进行调整;并计算了型钢锚固系统锚跨张力的最小调整量,指出由最小调整量产生的索力偏差应当于后续索股架设中进行弥补。再次,对温度、跨径、弹模以及垂跨比对主缆系统产生的影响进行分析,分别给出了其影响的关系,指出现行规范允许的主缆弹模误差对大跨径悬索桥主缆成桥线形及塔偏影响较大,应提高对弹性模量的控制要求;针对主缆无应力长度不足的情况分析了改变垂跨比对主缆产生的影响,指出小幅度调整垂跨比对结构受力产生的影响十分微小。最后,分析了泊松效应引起的主缆缠丝力以及索夹紧固力损失,指出主缆缠丝导入力计算需要考虑缠丝阶段断面温差、汽车荷载以及运营阶段体系温差产生的泊松效应影响;对于先缠丝后铺装的工序还需考虑二期恒载引起的泊松效应,给出了缠丝力的计算公式。此外,进一步指出于二期恒载完全施加前进行索夹预紧也需考虑泊松效应带来的损失,并给出上下对合式索夹预紧力的计算方法。