（岩土工程专业论文）数值混凝土模型的改进及其细观力学特性研究.pdf

摘 t 论文题目 数值混凝土模型的改进及其细观力学特性研究 学科专业 岩土工程 研究生 梁昕宇 签名 指导老师 党发宁教授签名 摘要 本文在细观力学的基础上将损伤力学和计算力学相结合分析混凝土试件在静 动力荷 载作用下的变形 损伤和破坏过程 分别选用非线性弹性本构模型和等效粘弹性本构模型 对大型商业有限元软件a n s y s 进行了二次开发 建立了三维细观数值混凝土模型 研究混 凝土的静 动力力学性能 和影响细观混凝土强度和变形的部分因素 本文的工作具体可 以分为以下几个部分 1 本文在前人研究的细观数值混凝土模型的基础上 对混凝土数值模型进行改进 克服了原模型的以下缺点 模型的界面厚度较大 计算结果可靠性低 细分单元会产生巨 大的单元数量 受到微机计算能力的限制 采用生死单元法杀死已破坏的单元 在模型中 形成了空洞区而不是裂纹区 单元划分后计算时骨料体积比划分前体积有所减小 为了解 决这些问题 在改进的数值混凝土模型中把混凝土看成是由骨料 砂浆组成的二相复合材 料体 用蒙特卡罗方法随机产生骨料的位置 建立混凝土三维随机分布数学模型 将两种 材料所有的黏结面用接触单元进行模拟 编制相应的命令程序 改进的混凝土数值计算模 型 不仅可以较好地使混凝土数值模型更接近于实际物理模型 而且大大提高了计算速度 对改进后的混凝土数值模型和原模型进行比较 分析可得改进的模型克服了原模型裂纹空 洞区大的弊端 而计算模拟的混凝土抗压强度与原模型的基本一致 2 混凝土试件的尺寸效应和粒径效应对试验结果的影响是值得关注的问题 分析前 人数值模拟的计算结果可得 混凝土在承受逐级增大的荷载时产生的不均匀变形和应力是 由混凝土材料的不均匀性产生的 本文建立配合比相同随机骨料位置不同的七个混凝土试 件模型 在其顶部施加相同的均布荷载 通过不断改变骨料与试件半径之间的比例 并且 对七个混凝土数值模型分别进行七步逐步加载 分析骨料随机位置以及骨料半径和试件半 径的比例对细观混凝土的强度和变形的影响 得出尺寸效应比例系数不同 计算结果的离 散程度不同 比例系数越小 计算结果的离散程度越大 建立了根据试验精度要求控制试 样尺寸效应比例系数的数学模型 3 本文选取第三章所建立的混凝土模型之一 施加不同形式的动力荷载 即冲击荷 载和正弦波荷载 数值模拟混凝土的动力学性能 在冲击荷载计算中 以2 4 0 1 n s 为准 静态加载率 进行不同加载率的数值模拟 计算分析混凝土模型在动荷载作用下起裂点数 目的变化 并由此来研究混凝土动强度比静强度高的原因 以及加载率珂混凝土试件的动 力学性能的影响情况 西安理工大学硕士学位论文 一 一 关键词 数值混凝土 损伤演化 接触单元 尺寸效应 动力加载 本文研究得到国家自然科学基金面上项目 编号 5 0 6 7 9 0 7 3 的资助 本文研究得到国家自然科学基金重点项目 编号 9 0 5 1 0 0 1 7 的资助 本文研究得到国家自然科学基金重点项目 编号 1 0 3 7 2 0 7 8 的资助 ab s t r a c t t i t l e t h el m p r o v e m e n to fn u m e r l c a lm o d e lo n c o n c r e t em e s o m e c h a n i g sa n dt h es t u d y0 fi t s d y n a m i cp r o p e r t i e s m a j o r g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e x i n y uu a n gs i g n a t u r e s u p e r v i s o r p r o f f a n i n gd a n g s i g n a t u r e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h ec o n c r e t es p e c i m e n p e r f o r m a n c eo fd i s t o r t i o n d a m a g ea n df a i l u r eu n d e rt h e s t a t i ca n dd y n a m i ce f f e c t i o nw e r ea n a l y z e di nt h em e t h o dc o m b i n e dt h ed a m a g e m e c h a n i c aa n d c o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c sb a s e do nt h em e s o m e c h a n i c s t h ee l a s t i cd a m a g ec o n s t i t u t i v ea n dt h e e q u i v a l e n tv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v ew e l x u s e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so fc o n c r e t e o nm e s o m e c h a n i c sa n dt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h es t r e n g t ha n dd i s t o r t i o no fc o n c r e t eo n m e s o m e c h a n i c sw e r es t u d i e db ym e a n so ft h es o r w a r e a n s y sd e v e l o p e ds e c o n d l y m a i n w o r k so ft h i sp a p e ri n c l u d e 1 an e wm a t hm o d e la n dp r o g r a mo f3 一dr a n d o ma g g r e g a t em o d e lo fc o n c r e t ei s e s t a b l i s h e d i nt h em o d e lt h ec o n c r e t ew a st r e a t e da s c o m p o n e n tm a t e r i a l sc o m p o s e db y c e m e n tm o r t a r a r a g g r e g a t ea n di n t e r f a c eb e t w e e nt h e m a g g r e g a t es p h e r es p a c el o c a t i o n s w e r eg e n e r a t e dr a n d o m l ya n dt h ei n t e r f a c ew a ss t i m u l a t e db yt h ec o n t a c te l e m e n t s t h e p r o g r a m so nt h e mw e r em a d e t h es c a r c i t i e so ft h eo l dm o d e ls u c ha st h eg r e a t t h i c k n e s so f t h ei n t e r f a c e t h eg r e a tn u m b e ro fe l e m e n ta f t e rt h em e s hr e f i n e da n dt h el o wr e l i a b i l i t yo f t h er e s u l t sw e r eo v e r c o m e d t h en e wm o d e lw a sm o r es i m i l a rt ot h er e a lm o d e l a n dt h e s p e e do fc o m p u t ew a se n h a n c e d 2 b yt h em e a n so fm e s od a m a g et h e o r y t h e s i z ee f f e c t i o no fm e s oc o n c r e t ew a s r e s e a r c h e d t h es i z er a t i oo fc o n c r e t e s p e c i m e na n dt h ea g g r e g a t e i n f l u e n c e st h e s t r e n g t h a n dt h ee f f e e t i o ns h o u l db ec o n c e r n e d t h ec o n c r e t ew o u l da p p e a ra s y m m e t r i c d i s t o r t i o na n ds t r e s s w h e ni tw a se f f e c t e db yt h ec r e s c e n tl o a d s i t sa p p e a r a n c ew a sa sa r e s u l to ft h ea s y m m e t r yo ft h ec o n c r e t em a t e r i a l s 析t l lt h es a n l em i xp r o p o r t i o n t h e r a n d o ml o c a t i o no fa g g r e g a t ea n dt h ea g g r e g a t ea n ds p e c i m e nr a d i u sr a t i ow e r ec h a n g e d t or e s e a r c ht h e i ri n f l u e n c t i o no nt h es t r e n g t ha n dd i s t o r t i o no ft h es p e c i m e n 3 u n d e rt h ei m p a c ta n ds i n el o a d s t h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h em o d e le s t a b l i s h e dw a s c o m p u t e d t h ec h a n g e so fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e n g t ho ft h es p e c i m e nu n d e rd i f f e r e n tl o a d s t t t 西安理工大学硕士学位论文 一一 一 w e r er e s e a r c h e d i nt 1 1 ec o m p u t a t i o no fi m p a c t t h el o a dr a t ew a sc h a n g e dt or e s e a r c ht h e c h a n g e so ft h el o c a t i o na n dn u m b e ro fc r a c k i n gp a r a m e t e rn o d e s t h e i n f l u e n c e so ft h e d y n a m i cp r o p e r t i e sd u e t ot h el o a dr a t ew e r er e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r t h ec o n c r e t ee f f e c t e db ys t s t i ea n dd y n a m i cl o a d sw e r em e s on u m e r i c a l l y s i m u l a t e d t h ec o n c r e t ep r o p e r t i e so fs t a t i ca n dd y n a m i cm e s o m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew e r e r e s e a r c h e d k e yw o r d s n u m e r i c a lc o n c r e t e d a m a g ee v o l v e m e n t c o n t a c te l e m e n t s i z ee f f e c t d y n a m i cl o a d t h i s r o r k 瞄s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a g r a n tn o5 0 6 7 9 0 7 3 t h i sw o r kw 豁s u p p o 蹴db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a g r a n tn o 9 0 510 017 t i f f sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a g r a n tn o 1 0 3 7 2 0 7 8 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人的研究成果 与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢 本论文及其相关资料若有不实之处 由本人承担一切相关责任 本人 并已经在 论文作者签名 学位论文使用授权声明 弘降多月矽日 在导师的指导下创作完成毕业论文 本人已通过论文的答辩 申请博士 硕士学位 本人作为学位论文著作权拥有者 同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文 学校可以采用影印 缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 2 为 教学和科研目的 学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读 浏览 本人学位论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权西安理工大学研究生部办 理 保密的学位论文在解密后 适用本授权说明 论文储潞肄翩躲笔媾硝弓月澎日 1 绪论 1 1 本文的研究背景及意义 混凝土作为主要的建筑材料已有百余年的历史 它被广泛应用于水利工程 土木工程 和采矿工程等许多领域 长期以来 有关的工程技术人员对混凝土的力学特性已经进行了 深入的研究 取得了令人瞩目的成果 当前 正是我国水电建设的重要发展时期 开工建 设的高拱坝工程有长江上游的溪洛渡和百鹤滩 澜沧江上的小湾 雅砻江上的锦屏 乌江 上的构皮滩 黄河上游的拉西瓦等 其坝高均达3 0 0 m 级 库容由几十亿到几百亿立方米 装机达1 5 0 万到1 4 0 0 万k w 上述这些高坝工程的设计烈度高达8 度至9 度 地震加速度 为o 2 9 一0 3 2 9 1 1 在如此高烈度的场地上修建3 0 0 m 级高拱坝 库水和坝体在地震作用 下产生的不均匀惯性力已远超过混凝土的极限抗拉强度或抗剪强度 高拱坝抗震安全问题 是一个尚无先例可循的重要课题 急需研究解决 高拱坝的抗震安全问题主要体现在坝体混凝土的动力开裂破坏 其动态力学特性的研 究成果很少 是高拱坝抗震安全评估中的最薄弱但却十分重要的环节 作为非均质复合材 料的混凝土的动力学特性十分复杂 大体积浇筑的多级配的大坝混凝土更是如此 对主要 受其中随机分布的固有缺陷和微结构的不均匀性影响的全级配大坝混凝土大试件做动态 强度试验 特别是进行不同静态预载下以不同形态动载作用的试验 以深入了解实际大坝 混凝土的动态特性的研究 在国内外都基本上尚属空白 我国仅在 九五 课题中作过少 许初步试探 2 对大体积混凝土的研究多集中在其静 动力强度以及破坏机理上 试验表 明 在砂浆的强度相同但骨料的粒径 形状 配合比发生改变时 混凝土的强度就会有很 大的差异 3 1 骨料的特征参数 骨料粒形 粒径 配合比参数 水灰比 浆骨比 砂率 等 对大体积混凝土抗拉 抗压强度 拉伸变形模量等的影响受实验设备刚度 加载能力 加载速率以及财力人力的限制 因此开展的工作很少 大体积混凝土与常态混凝土相比 骨料的含量和粒径均较大 其大骨料发生初始损伤的概率也相应加大 砂浆中因各种因素 引起的初始损伤的概率也相应加大 这些骨料配合比参数及其初始损伤对大体积混凝土 静 动态强度的影响是非常显著的 也是值得研究的另一个重要问题 为了解决上述问题 需要进行较大规模的全级配大坝混凝土强度试验 这既费钱 又 费时费力 还受到设备条件的限制 且少量试验往往难以锝出规律性成果 此外 即使从 较多试验中得到统计结果 但由于试验中也常出现反常的试验结果 无法解释混凝土细观 破坏机理 因此难以搞清大坝混凝土在地震荷载作用下的动力破坏过程及其机理 对于混凝土损伤与断裂扩展以及损伤与断裂机制等基本问题 还需要进一步地研究 工程中常将混凝土视为宏观 均质 各向同性的材料 这在工程中足以解决具体问题 但 这种宏观假定很难具体地考虑到混凝土材料的细观组成以及力学性质的复杂性 而实际上 混凝土则是由粗骨料 细骨料 水泥水化物 未水化水泥颗粒 孔隙及裂纹等组成的非均 西安理工大学硕士学位论文 质复合材料 国内外众多学者也对混凝土材料进行了大量的分析研究 目前对混凝土 类材料力学性能的研究 大都是建立在试验的基础上 需要花费大量的人力 物力 而所 得到的试验成果往往由于试验条件 环境条件等的变化及材料本身的复杂性 使得试验成 果相对离散 难以反映实际混凝土的真实力学性能指标 随着计算机技术和数值方法的进 步 对混凝土材料的断裂过程进行数值模拟已成为可能 在数值模拟结构与实际结构具有 近似物理条件下 数值模拟省时 省力 无仪器限制 可以重复 大批量进行实验 能够 模拟许多加载设备难以实现的复杂加载路径 而且能够避开实验中各种因素对于实验结果 的影响 真正用来研究混凝土材料断裂特性 因此 利用数值模拟方法对混凝土材料的静 动力学性能进行研究具有重大的意义吲 目前国际上研究人员已经开始从混凝土细观尺度来研究混凝土宏观损伤与断裂过程 尤其是当今计算机技术的发展 为从细观层次研究宏观层次的力学问题开辟了广阔的前 景 为此 本论文立足于对混凝土这个工程材料认识的基础上 建立一个可以进行混凝土 损伤与断裂过程模拟的数值模型 并对其在多种受力状态下的损伤与断裂过程及其机制进 行数值模拟研究 通过其计算结果研究了混凝土的尺寸效应 进行了动力加载数值模拟和 动力特性研究 并将前人建立的混凝土数值模型基础上进行了改进 本文的数值模拟计算 过程经历了大量的时间和计算难题 不断地克服了各种困难 为细观混凝土的研究提供一 定的依据 1 2 混凝土材料细观数值模拟研究的现状 混凝土的内部结构复杂 在材料中将其看作是由粗骨料 细骨料 水泥水化产物 未 水化水泥颗粒 游离水和结晶水等液体 以及气孔和裂隙中的气体所组成的非均质 非同 向的三相混合材料 对于混凝土材料的研究也要在不同的尺度下 运用不同的分析方法进 行 这样得到的结果才能用于指导实际问题并具有可靠性和正确性 混凝土材料的研究尺 度可以分为微观 细观和宏观 w i t t m a n n 4 最先把这种三个尺度的研究应用到混凝土材料 的研究中 如图l 一1 所示 2 雾 渗 懈塑丞 微观细观宏蕊 图1 1 混凝土的三个研究尺度 f i g l 1 t h r e er e s e a r c h s c a l e so f c o n c r e t e 现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次的方法 在对客观世界的研究 中 当停留在某一层次 许多问题无法解决时 深入至i j 下一个层次 问题就会迎刃而解 同时也只有进入到下一个层次上 才能揭示更深层次的机理 对混凝土损伤断裂问题的研 究同样如此 本文将对混凝土破坏问题的研究归纳为如下三个研究层次 p 叫 a 宏观层次 m a c r l e v e l 我们忽略混凝土的内部结构 混凝土实体结构 如板 梁 柱 混凝土坝等 研究尺 度万 1 0 3 m 在这种尺度下 混凝土存在着特征体积 经验的特征体积相应于3 4 倍的 最大骨料体积 当大于这种特征体积时 材料假定为均质的 当小于这种特征体积时 材 料的非均质性将会十分明显 有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应 这个特征体 积的平均应力和平均应变称之为宏观应力和宏观应变 由于各种结构缺陷的发展 宏观的 应力一应变关系一般是非线性的 在这一层次上往往将混凝土视为连续的和均质的材料 在宏观层次上的混凝土破坏表现为由于结构体系内含有应力集中的根源 裂纹从此生成 扩展 结果不稳定区域逐渐形成 体系整体破坏 从而丧失承载能力 b 细观层次 m e l e v e l 研究尺度为万 1 0 6 1 0 3 m 包含的范围较大 在这个层次上混凝土被认为是一种由 骨料 砂浆和它们间的过渡区组成的三相材料 由于泌水 干缩和温湿度变化引起骨料和 水泥砂浆基体间的粘结裂缝可由切片观察到 细观内部裂隙的发展直接影响混凝土的宏观 力学性能 因此在细观层次上混凝土破坏表现为材料内部潜在的缺陷引起裂纹的生成和扩 展 结果结晶颗粒的分离使得颗粒内部或者颗粒边界引起破坏 该层次是本文所重点研究 的对象 c 微观层次 m i c r o l e v e l 指原子 分子量级 一般指微米尺度 研究尺度为万 1 0 1 0 一1 0 巧m 在这个层次中 认为水泥浆本身也是一种随机的复合材料 其组分是未水化的熟料颗粒 水化硅酸钙 c s h 氢氧化钙晶体c h c c a o s s i 0 2 王 h 2 0 毛细孔和其它的化学成分 微 观层次上混凝土破坏表现为原子结合的破裂而产生拉开破坏及滑移破坏 该层次是材料科 学的研究对象 9 1 1 2 1 细观理论研究及其意义 根据研究对象的特征和特征尺寸 固体力学的研究大致可分为微观力学 细观力学和 宏观力学三个层次 1 0 1 1 微观力学主要在原子和分子尺度上 研究空穴 点缺陷和位错 场的分布状态 生成方式及演化机制 细观力学主要研究材料的微孔洞 微裂纹 夹杂的 成核机理和演化规律 而细观结构对材料宏观性能的影响的研究目前已成为细观力学研究 的热点 细观力学的研究需要实验 理论和计算三方面的密切配合 实验观测提供了细观力学 的物理依据和检验标准 理论研究总结了细观力学的基本原理和理论模型 计算分析是细 观力学不可少的有效研究手段 它既为理论研究的彻底实现和广泛应用提供了有力的工 3 西安理工大学硕士学位论文 具 又为实验研究创造了有效的计算机模拟技术 1 2 2 混凝土的细观组成 混凝土是二种非均质的复合材料 在细观层次上将混凝土看作由骨料 砂浆基质 和 两者之间的界面组成的三相复合材料 本文在对混凝土的研究中将混凝土看作三相或二相 复合材料 腊三一 j l 黼 一彳铴 f 疆瀛 图1 2 混凝土材料不慈图 f i g l 2t h ec o n c r e t em a t e r i a l a 骨料 骨料也称集料是混凝土的重要组成部分 在混凝土中起骨架和填充的作用 配制普通 混凝土常用的天然矿物骨料 是由天然破坏作用或者人工破坏而成的f 协 在混凝土工程 中 一般将粒径在o 1 5 5m m 之间的称为细骨料 将粒径大于5 m m 的称为粗骨料 粗 骨料按成材分为卵石 碎石 破碎卵石和碎石的混和石 按粒径可分为小石 5 m m 2 0 m m 中石 2 0 m m 4 0 m m 大石 4 0 m m 8 0 m m 特大石 8 0 m m 1 5 0 r a m 它们依次称为一 二 三 四级配 当混凝土级配中包含这四种级配时 称为全级配混凝土 普通混凝土构件所用的骨料通常是粒径不超过2 5 r a m 的细砾石 而在水工混凝土结 构中 常用到粒径1 0 0 m m 1 6 0 m m 的卵石或碎石 骨料的最大粒径d 取决于其混凝土构 件的尺寸 混凝土在受力时 混凝土中骨料内的应力可能大大超过混凝土的抗压强度 骨料内的 强度往往决定了混凝土强度的上限值 从混凝土的破坏过程来看 骨料是产生裂纹的原因 同时又起阻挡裂纹扩展的作用 在混凝土中由于骨料与砂浆两种材料的性质不同 二者不 容易互相粘结而在其间产生一个薄弱的界面层区 成为裂纹的发源地 但是在裂纹的扩展 过程中 由于骨料的强度大于砂浆的强度 在荷载不太大时 骨料又阻挡了裂纹的发展 b 水泥砂浆 将水泥和水按一定配比搅拌 水泥颗粒和水产生的水化作用 水泥颗粒溶解达到饱和 然后在溶液中发生水化反应 形成水化物 将搅拌均匀的砂子胶结在一起成为水泥砂浆 填充在固体颗粒之间 形成了水泥砂浆相 4 水泥砂浆相的强度远小于骨料相的强度 主要受水灰比 水化程度的影响 在外力作 用和不同的环境影响下 砂浆的强度也会有比较大的变化 成为混凝土强度和变形性能复 杂 多变 离散的原因之一 c 界面 混凝土的第三相 即骨料一水泥砂浆界面过渡区相是围绕在骨料颗粒周围的一层薄壳 厚度一般为1 0 1 5 a n 在硬化混凝土的三相结构中 界面层相的强度不仅低于骨料相 而且也低于水泥砂浆相 因此 界面层是混凝土中的一个最薄弱的部分 可将其视为混凝 土的强度极限相 由于过渡区强度特别低 会使混凝土在承受比水泥石和骨料强度低的多的应力作用下 发生破坏 同时由于过渡区内在混凝土受载前己经存在微裂缝 即混凝土的初始损伤 加 载后又会因为界面层较骨料和水泥石薄弱的多 因此 使得在该部位更易产生微裂缝 并 且受载前就存在的微裂缝更易扩展 这些因素使得混凝土在受载破坏过程中呈现非弹性行 为 而且在拉伸荷载作用下 界面层裂缝扩展的速度比在压荷载作用下的扩展速度要快得 多 因此 混凝土的抗拉强度要远低于抗压强度 并且呈现脆性破坏 l 引 界面层中存在较多的微孔洞和微裂缝 不仅对混凝土的强度有很大影响 对混凝土的 刚性和弹性也影响很大 在混凝土中 界面层起着连接骨料颗粒和水泥砂浆基体的作用 由于该连接区较薄弱 不能较好的传递应力 会导致混凝土的刚性较小 特别是在暴露于 火或者高温环境中时 混凝土界面层的微裂缝将迅速的扩展 使得混凝土的弹性模量比抗 压强度降低的更快1 1 4 1 1 2 3 常用的混凝土细观数值模拟的模型 a 格构模型 格构模型思想产生于5 0 多年前 当时由于缺乏足够的数值计算能力 仅仅停留在理 论上 二十世纪八十年代后期 该模型被用于非均质材料的破坏过程模拟 1 1 1 后来 s c h i n a g n e 等人 1 5 将格构模型应用于混凝土断裂破坏研究 模拟了混凝土及其它非均质材 料所表现的典型破坏机理和开裂面的贯通过程 v a nm i e r u 用该模型模拟了单轴拉伸 联 合拉剪 单轴压缩试验 在国内 杨强等人 1 6 j 采用格构模型模拟了岩石类材料的开裂 破坏过程 研究表明 用格构模型模拟由于拉伸破坏所引起的断裂过程是非常有效的 按 照某种分布规律去掉一些单元 就可以用来模拟材料的各种初始缺陷u 同时该模型还 能较好的考虑材料参数分布的随机性 但用于模拟混凝土等材料在压缩荷载 包括单轴压 缩和多轴压缩 作用下的宏观效应时 结果不够理想 另外 由于该模型单元的破坏是不 可逆的 所得到的荷载一位移曲线呈脆性 很难反映卸载情况 这与混凝土的实际情况不 符f l s l b 梁一颗粒模型 该模型是邢纪波1 5 在离散元的基础上提出的 其假定混凝土为细骨料 砂粒 粗骨料 5 西安理工大学硕士学位论文 石子 及水泥浆组成的三相复合材料 混凝土中的粗骨料 石子 以颗粒单元集合体模拟 砂粒直接以颗粒单元模拟 相邻颗粒单元由弹脆性梁单元来联结 以模拟石子内部颗粒之 间的联结作用以及砂粒之间 砂粒与石子之间的水泥浆胶结作用 计算时当梁单元的应力 大于其强度时 该单元就从计算网格中去掉 去掉梁单元意味着裂纹的产生 以模拟混凝 土的断裂过程 模型中的颗粒单元不能承受拉力 只能承受压力 在初始状态 颗粒单元 是弹性体 其力学性质可以完全由其弹性模量和剪切模量来表达 随着颗粒单元应力的增 加 当颗粒单元的应力状态达到给定的损伤阂值时 颗粒单元开始损伤 此颗粒单元不再 传递压力 以模拟混凝土材料的破坏 邢纪波利用该模型对混凝土在单轴受压时的力学性 能进行了模拟 c 随机骨料模型 在混凝土细观数值模拟中 随机骨料模型的应用也相当广泛 刘光廷 6 1 用该模型模拟 了混凝土材料的断裂 宋玉普 7 基于随机骨料模型模拟计算了单轴抗拉 抗压的各种本构 模型行为 计算了双轴下的强度及劈裂破坏过程 并引入了断裂力学的强度准则 模拟了 各种受力状态下混凝土的裂纹扩展 黎保混等人嗍对碾压混凝土细观损伤断裂进行了研 究 模拟了碾压混凝土静力特性及试件尺寸效应 文献 4 对东江拱坝单轴受拉 单轴受压 试件的力学性能进行了数值模拟 对界面参数对模拟结果的影响进行了研究 但这些研究 都没有考虑材料力学参数分布的随机性和各种初始缺陷的影响 另外随机骨料模型所选用 的本构模型关系和破坏准则还有待进一步研究 d 随机力学特性模型 该模型假定混凝土是由砂浆基质 骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料 为了 考虑各相组分的非均匀性 各组分的材料性质按照某个给定的w e b i u l l 分布来赋值 9 各 个组分 包括砂浆基质 骨料和界面 用均匀的四边形网格来表征 通过对不同组成相单元 赋予不同的力学参数来从数值上得到一个非均匀的混凝土试样 计算时 细观单元的损伤 演化按照弹性损伤本构模型关系来描述 最大拉应力 或者拉应变 准则和摩尔库仑准则分 别作为细观单元发生初始拉伸损伤和剪切损伤的阐值条件 朱万成等人 9 1 用该模型模拟了 混凝土试样在静荷载作用下的断裂过程 取得了较好的结果 随机力学特性模型最大的优 点是充分考虑了各组分相材料性质的非均匀性 缺点是没有考虑各级配骨料分布的随机 性 e 随机骨料随机参数模型 对于真实的混凝土结构 不但骨料颗粒的分布具有一定的随机性 而且各相材料的力 学参数分布也具有随机性 陈厚群 马怀发等人n 蜘经过大量研究提出了随机骨料随机参 数模型 并用假定材料的力学参数满足对数正态分布 采用双折线的弹性损伤演化本构模 型关系 对混凝土简支梁的静 动弯拉强度进行了数值模拟 除了以上几种模型 还有很多学者也进行了大量的研究工作 建立了不同的计算模型 如美国西北大学b n a a z t 教授 2 0 于1 9 5 5 年提出的微平面模型 m i c r op l n a em o d e l 大连理 6 工大学的土宝庭 宋玉普 提出的刚体一弹簧模型 r i g i d b o d ys p r i n g m o d e l 等 1 3 已经进行的混凝土细观数值模拟研究工作 郑娅娜 硕上和田威 i 硕士在混凝土破坏过程的三维数值模拟研究上已经丌展了很 多的工作 并取得了一定的成果 对他们所开展的工作介绍如下 a 郑娅娜硕士从细观力学的角度出发 将混凝土当作是由骨科 砂浆以及两者之间 的界面层所组成的复合材料 采用蒙特卡罗方法 运用随机变量得到骨料的随机位置 建 立了混凝土的三维数学模型 进行有限元网格划分 运用骨料投影网格法 通过 单元多 次划分 技术 判别出骨料 砂浆 界面各自的属性 如下图所示 矿矿 a 骨料模型 b 骨料的有限元网格 f i g a a g g r e g a t e m o d e lo f c o n e r e t e f i g b m e s h m o d e lo f a g g r e g a t e 图卜3 混凝土粱的随机骨料模型及其有限元阿格 f i gi 3 r a n d o m a g g r e g a t e m o d e la n d m e s h m o d e lo f a g g r e g a t e o f c o n c r e t eb e a m f a l 全部单元 b 骨料单元 e 界面单元 d 砂浆单元 图卜4 混凝土试件三相材料有限元网格 f i g1 4m e s hm o d e lo f t h r e e p h a s em a t e r i a l 禽o 图卜5 随机骨料的有限元网格 西安理工大学硕士学位论工 f i g1 5m e s hm o d e lo ir a n d o ma g g r e g a t e 对a n s y s 有限元软件进 i t 次开发建立r 混凝士三维数值模型 模拟混凝上单轴 压缩试验 选择破坏判据 分析混凝土的破坏机理 利用自主开发的有限元软件计算模 拟混凝上试件任各步荷载下的内力和变形分布 采用最人拉应力破坏准则 令已经破坏 的单元失效 再进行下一时步的计算 依此模拟混凝土裂纹的扩展过程及破坏形态 如 图卜6 是某次计算的混凝土破坏后的应力 位移及裂纹 图中自色部分为裂纹 i i 2 矗 f j 之 i f p 暗 j 秸e j 5 a 某垂直截面垂直位移云图 b 某垂直截面水平位移云图 c 某垂直截碰垂直应力云图 1 p w 书呻 严 e 焉j 呵 简 r 号 和胃 蕾 一 d 某水平截面水平位移云图 e 某水平截面水平麻力云图 f 某水平截面垂直向应力图 图l 书 数字混凝土 破妍 后的厦力 位移及裂纹 f i g1 石s t r e s s d i s p l a c e m e n t a n dc r a c k s o f t h e f a i l m mo f n u m e r i c a lc o l l c f e t e b 混凝土在拌和过程中每个骨料的存在对其它骨料的空间位置都会有影响 数字混 凝土则不一样 先生成的骨料的空间位置是固定的 后生成骨料的位置只能在剩余的空间 中产生 这样在三级配数字混凝土模型中 太 中骨料位置确定后 虽然整个空间的空隙 还很大 但许多空隙却小于小骨料的直径 导致部分小骨料无法生成 对于骨料含量较大 的大体积混凝土尤为突出 田威硕士运用 被占领区域剔除 的方法 对原有的混凝土 骨料三维随机分布模型进行了一定的改进 提出了一种新的混凝土骨料三维随机分布模型 的建立方法 此方法能快速的使球体找到自己的空间位置 节约了大量的时间和计算机资 源 且将众多的程序相结合到一个程序中直接的实现球体的生成 单元材料属性的判断和 赋予单元不同的属性 利用建立的三维数字混凝土模型 基于混凝土细观各相材料弹性损伤本构模型关系 采用双折线损伤演化模型描述混凝上细观各相弹性损伤退化 用弹性模量的折减程度来反 映混凝土试件在加载过程中的损伤程度 在对 n s y s 进行二次开发的基础上进行了静载作 用下混凝土试件堆轴受压试验的细观数值模拟 憾甓龇譬刻 一 原始图 捌 罂耋磊象霎元损伤图第七步损伤图 f 嘻l 一7 d a m a g e o fe l e m e n t s 圈圜圈 b 各荷载步水平方向应力截面图 f i g 坤h o f i z o n t a ls t j i e s ss e c t i o n 图卜9 数字混凝土 破坏后的应力 位移及裂纹 f i gi 9s t r e s s d i s p l a c e m e n ta n dc r a c k o f t h e n u m e r i c a l c o n c r e t e 尽管他们在混凝土细观力学研究中已经取得了丰富的成果 但是 还存在以下问题 1 采用最大拉应力准则 摩尔库仑准则判断单元的破坏 以及运用双折线损伤变量 西安理工大学硕士学位论文 演化模型判断单元的损伤程度 还应进一步研究符合混凝土实际断裂过程的破坏准则 2 在单元划分后 由于做出的胶结面较厚 为此对界面单元进行 多次细化网格 技术 以上前人的方法都是将界面单元进一步细化 对细化后的界面单元再进行材料属性 的判别 直到界面单元厚度符合要求为止 这种减小界面厚度的方法以增加单元数 牺牲 计算速度为代价 是急需要克服的问题 3 从以上前人的计算结果中可以看出由于细观结构的不均匀性 常常在内部截面上 引起偏心应力分布 由于细观结构的不均匀性使得混凝土在承受荷载时局部出现拉应力 区 虽然在宏观上看施加的是单轴压缩荷载 但是 裂纹萌生往往在混凝土内部结构不均 匀而产生的应力集中处 4 计算时破坏了的单元采用令该单元失效的方法模拟 会在模型中形成一个本不存 在的空洞区 严格说这种模拟方法是不对的 但对于以位移为变量的有限元计算来说 当 前还没有发现更切合实际的方法 因此导致数值模拟时单元进入破坏状态后的计算结果与 试验结果相差较大 需要改进原模型 研究能更好模拟混凝土材料破坏后所形成裂纹的方 法 5 以上前人都没有对混凝土在动荷载作用下的力学特性及破坏进行数值模拟 而现 在工程和科学研究关心的是混凝土动强度的变化规律以及影响其变化的因素 进行混凝土 动荷载作用下的数值模拟j 分析研究计算结果 是细观混凝土的研究趋势 1 4 本文的工作 1 4 1 研究的目的 本文目的是在前面人对混凝土细观力学性能研究工作的基础上 针对三维混凝土随机 骨料模型的建立及数值模拟方法 进行进 二步的改进和更深刻的研究 对原模型进行改进 在骨料和砂浆之间加入接触单元来模拟界面层 通过数值计算 证明该方法的可行性 分 析骨料随机位置以及骨料半径和试件半径两者的比例系数对混凝土强度的影响及其规律 以此来研究大体积混凝土中骨料级配尺寸对大坝整体强度的影响 同时进行混凝土动力加 载数值模拟 对不同加载方式 不同加载速率的冲击荷载进行数值试验模拟 来研究混凝 土动力特性 及其变化规律 寻求混凝土的动强度规律和动断裂破坏机理 为大尺寸混凝 土试件的数值模拟和拱坝工程抗震提供依据 1 4 2 研究的内容 a 已经建立的混凝土数值模型中 骨料和砂浆之间的胶结面单元划分采用 多次 网格划分 技术 以达到最大限度地降低计算规模 但是单元数量之多 计算量之巨大 给数值模拟带来了很大的困难 所以拟将原模型的各算法全部程序化 建立新的混凝土骨 料随机分布的数学模型 为了与已有的有限元程序链接 本文对a n s y s 软件进行了二次 1 0 开发 在骨料和砂浆单元之间加入 面面接触单元 模拟舟料和砂浆之间的黏结界面 以避免在计算中模拟的混凝土破坏区域出现本不存在的空洞 同时也避免事先设置接触面 单元的盲目性 并分步施加荷载 分析混凝土试件的位移与应力变化 与原模进行比较验 证 得出可行性研究 b 郑娅娜 田威硕士模拟混凝土试件的裂纹扩展及破坏形态 计算结果如图所示 厂 酱 a 某垂直截面垂直位移云图 b 某垂直截面垂直应力图 c 某垂直截面水平方向应力图 a v 州i c d i s p l a c es e c t i o n v e r t i c a ls w a i ns e c f i o n c h o r i z o n t a ls t r a i n 图卜1 0 某加载步某垂直截面的位移 应力图 f i gi 1 0s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t c o n c r e t e 由匕工上的垂向位移图可以看出最大垂向位移发生在截面顶部 从上向下呈逐渐降低的 趋势 但不是均匀降低 向右发生偏移变化 从云图可以看出水平应力分布非常不均匀 水平应力从试件上下两端向中问逐渐降低 在试件两端应力变化明显 截面垂向应力分布 也不均匀 骨料分布的区域应力较大 反映了混凝土内部材料分布的不均匀性 细观结构 的不均匀性是混凝土承受荷载时局部出现拉应力区的原因 虽然在宏观上看施加的是单轴 压缩荷载 但由于细观结构的不均匀性 常常在内部截面上引起偏心应力分布 由此本文 针对这种情况研究骨料半径与试件半径两者的比例系数和随机骨料的位置对混凝土试件 的力学性质的影响 特别是对混凝土试件强度的影响 c 结合实际水利工程 根据大坝不同部位混凝土所处的初始应力条件的不同 研究 有各种比例预静载作用时 动力加载速率 频率 持续时间对多级配大尺寸混凝土试件的 动强度提高规律的影响 探索混凝土动断裂破损机理是混凝土研究的重点 采用固定其它 参数而调整某一参数进行数值试验 得到各动力参数与大尺寸试样的动应力应变曲线的关 系 确定上述各因素对混凝土动应力应变曲线的影响 确定影响混凝土动强度的各动力参 数的灵敏度 为大坝抗震设计提供理论依据 本文对混凝土模型以不同方式进行动力加载 即冲击荷载和正弦波荷载 在a n s y s 软件的基础上 开发研究与之相链接的f o r t u r e 程序 运用m a x w e l l 模型 进行加载计算 模拟分析混凝土的动力特性 同时改变冲击荷载的加 载速率 进行数值模拟 分析不同加载速率情况下试件起裂点的位置和数目 研究混凝土 动强度比静强度增大的原因 以及试件的位移变化规律 西安理工大学硕士学位论文 2 混凝土三维随机骨料模型的改进 硕士论文 毖矧运用随机数学方法建立了三维数字混凝土模型 并对混凝土的细观力 学性能进行了研究 该模型进行单元划分 判别单元材料属性 由于做出的黏结界面较厚 为此采用 单元多次划分 技术 将界面进一步细化 对细化后的单元再判别单元属性 直到界面单元厚度符合要求为止 这种减小界面厚度的方法是以增加单元数 牺牲计算速 度为代价的 另外 在单元划分后 由于部分界面单元侵占了一部分骨料或砂浆的空间 使得数值模拟时的骨料含量小于实际的配合比计算出来的骨料含量 在考虑以上不足的情 况下 本章对混凝土试件采用新的建模思路 即在以前建模思路的基础上在骨料单元和砂 浆单元之间加入 面一面接触单元 模拟骨料和砂浆之间的黏结界面 对硕士生郑娅娜 和田威的模型进行了改进 利用新建立的数字混凝土模型进行加载计算 研究三维混凝土 的细观力学性能 2 1 随机变量产生方法 2 1 1 蒙特卡罗法简介 蒙特卡罗 m o n t ec a l l o 方法渊 也被称为随机模拟 r a n d o ms i m u l a t i o n 方法 随机抽 样方法