初始缺陷对细观模拟混凝土准脆性的影响

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1、第41卷第lO期人民长江VolJ41．No．102010年5月YangtzeRiverMay，2010文章编号：1001—4179(2010)10—0063—04初始缺陷对细观模拟混凝土准脆性的响邬昆，李庆斌(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：混凝土具有应变软化性能，是典型的准脆性材料。为了在细观脆断材料的基础上模拟混凝土的软化性能，建立了细观结构中含初始缺陷的细观脆断模型，并提出了将等效断裂强度准则作为细观破坏的判断依据。利用该模型对混凝土的单轴受力性能进行了模拟，分析了不同含量的初始缺陷对数值结果的影响。结果表明：初始缺陷的含量越高

2、，数值结果中的软化越明显。说明在混凝土细观脆断模型的研究中，细观结构中的初始缺陷是模拟宏观准脆性的重要条件。关键词：混凝土；细观脆断模型；准脆性；初始缺陷；等效断裂；强度准则中图法分类号：TV43文献标志码：A混凝土属于非均质材料，研究其细观结构在受力混凝土性能进行了模拟，分析了不同含量的初始缺陷过程中的演变，可以更好地揭示混凝土的宏观变形性对数值结果的准脆性的影响。结果表明，初始缺陷的能及破坏机理，为混凝土宏观结构的分析提供依据。含量越高，数值结果中的软化现象越明显。说明在混细观数值模拟作为有效的细观力学研究方法，已经凝土细观脆断模型的研究中，细观结构中的初始缺陷成为研

3、究混凝土材料性能的重要手段之一。是模拟宏观准脆性的重要条件。实验研究表明，混凝土在受力之前，其内部已经存1随机骨料结构及初始缺陷在大量的初始缺陷。受力后，这些初始缺陷的扩展、贯通是导致混凝土材料发生劣化、应力应变曲线呈本文采用随机骨料结构作为混凝土细观结构的近现准脆性的主要因素。在混凝土细观模型中，基于脆似。根据文献[4]的方法生成随机骨料结构，其中骨断破坏的细观模型能更好地反映细观结构与混凝土宏料形状是圆形的(二维问题)，骨料位置随机分布。观性能的关系。目前的混凝土细观脆断模型较少，主界面过渡区是混凝土的薄弱部位，因此本文只考要以格构模型为主。均匀的格构模型并不能很好虑

4、界面过渡区中的初始缺陷。引起界面微裂缝的原因地模拟混凝土软化，与混凝土准脆性的差异较大，通过主要有水分蒸发和干缩j，其中干缩引起的应力集中非均匀格构可以得到较理想的数值结果，但此时隐含与骨料间距有关，因此，本文假设：了细观材料强度非均匀的假设，因此并不是细观结构(1)当某个骨料与其他骨料的间距小于给定距离引起的宏观准脆性。时，这个骨料上就存在初始缺陷。本文在界面过渡区引入初始缺陷，建立了含初始(2)初始缺陷在有限元中用破坏单元表示，骨料缺陷的细观脆断模型，并提出了将等效断裂强度准则上初始缺陷的长度与破坏单元个数和单元平均尺寸有作为细观破坏的判断依据。利用该模型对单轴受力的

5、关收稿日期：2010—04—15基金项目：国家自然科学基金“高拱坝地震灾变机理与破损全过程”(90715041)，“十一五”国家科技支撑计划“复杂条件下高坝混凝土施工安全与高拱坝结构安全及运行可靠关键技术研究”(2008BAB29B05)作者简介：邬昆，男，博士研究生，主要从事混凝土材料与结构性能研究。E—mail：wuk04@mails．tsinghua．edu．corn通讯作者：李庆斌，男，教授，主要研究混凝土材料与结构性能、E—mail：qingbinli@mail．tsinghua．edu．ca人民长江由以上假设可知，初始缺陷的含量可以由初始缺度准则中，缺陷的大小

6、P是用单元大小表示的。陷长度和骨料最小距离控制。其中初始缺陷的长度为根据等效断裂强度准则，对于拉伸引起的破坏，破坏单元的个数和单元尺寸的乘积。有：初始缺陷可以按下述步骤确定：orl≤Ol(4)(1)划分网格。式中，or为最大拉应力；Or为与单元大小相关的系数；(2)选取一个骨料，，计算与骨料问距小于给K为材料的，型断裂韧度。当未知时，可由经验公定最小距离的骨料集合S={AjIdist(A，A，)

7、(n：L／1)个单元表示受压时，混凝土细观结构中的界面处将发生剪切初始缺陷。滑移引起弯折断裂破坏]，考虑摩擦力的影响时，裂(4)重复第3步，遍历集合S中的所有骨料，得到尖的应力强度因子修正为：A，表面的所有初始缺陷。KI=(1一)(6)(5)重复第2步到第4步，直到所有骨料遍历一式中，为无摩擦时的应力强度因子；为标量因子，遍，得到所有骨料的初始缺陷。与摩擦系数和扩展方向有关，可以表示为：=COS／3／sin(7)2等效断裂强度准则式中，为裂缝扩展方向与裂缝的夹角；为摩擦系混凝土细观破坏主要是断裂破坏，尖锐裂缝引起数。的脆性破坏