王宝庭-用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能

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1、第卷增刊大连理工大学学报,年月〔犯一一文章编号用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能王怀亮‘,’‘,王宋玉普宝庭大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连,河南郑州郑州大学环境与水利学院。。。摘要提出了采用刚体弹簧元法在细观层次上对全级配混凝土的力学特性及破坏机理进行数值研究的方法该方法首先根据全级配混凝土骨料级配曲线和函数,使用蒙特卡罗随机理论建立起考虑细观各相力学特性分布不均匀性的随机骨料结构,并对其进行三角形或任意多边形的网格剖分然后应用刚体弹簧元模型,对全级配混凝土在单轴及双轴荷载下的变形和力学性能进行,了不同骨料级配及试件尺寸对混凝土力学性

2、能的影响与了系统性的数值试验并探讨实际试验结果的比较表明运用该方法数值模拟全级配混凝土的力学性能是可行的关键词全级配混凝土细观结构随机骨料刚体弹簧元法强度中图分类号文献标识码,引言高因此要是能通过日益发达的计算机模拟技术,数值模,拟全级配混凝土的本构特性将是很,大坝混凝土属于大体积混凝土在其配合比有意义的尝试,、设计中在满足工作性强度和耐久性等要求的刚体弹簧元法是,,前提下为了节省水泥和降低水化热往往大量〕年代末由创立的一种适用于极限解增加混凝土中粗骨料用量和采用粒径较大的全,析及处理裂纹行为的数值计算方法本文将它应级配骨料。一由于全级配混凝土和,、、用于全

3、级配混凝土本构行为研究将混凝土细观湿筛混凝土的胶凝材料含量骨料粒径大小含上看成是由骨料、硬化水泥砂浆及其两者之间的,量等完全不同它们之间的力学特性与本构关系,,粘结带组成的三相非均匀复合材料通过数值模差别很大因此早在世纪年代中期美国,拟研究全级配混凝土的破坏过程及其宏观力学垦务局制定的混凝土重力坝和拱坝的设计准则中就明确规定,大坝混凝土的强度、弹性模量响应特性,等特性的测试必须采用包括全部级配骨料的全随机骨料模型的建立,级配混凝土同时规定试件最小尺寸必须大于最,混凝土用骨料的定义为全部通过大骨料粒径的倍亦即在大坝设计时采用的混,,筛以上的质量通过筛的骨料称为

4、细凝土特性参数必须采用全级配混凝土大试件试验获得清华大学、河海大学、大连理工大学和骨料以上的质量遗留在筛上的骨料“”称为粗骨料粗骨料按粒径分为小石一水利部成都勘测设计院等单位在国家八五科、中石、大石一、特技攻关期间结合二滩拱坝材料对全级配混凝土、、、,大石它们依次称为一二三四的本构特性进行了比较全面的试验研究取得了,不少有价值的成果图但全级配混凝土由于其试级配当在混凝土配比中包含这四种级配时称,、,,为全级配混凝土按照常规把只包含一二级配件体积大需要大吨位的加载设备对试验技术,、,的混凝土称为小骨料混凝土把包含三四级配及试验设备要求都很高相应试验成本也随之升

5、收稿一一日期基金项目国家自然科学基金资助项目一,,,一一,,,作者简介王怀亮男博士生宋玉普男教授博士生导师大连理工大学学报第卷的混凝土称为大骨料混凝土由于混凝土骨料总面积、的随机骨料分布图,分布的随机性必须采用随机的方法来建立骨料模型最简单的方法莫过于无论骨料是卵石还,,是不规则碎石一律简化为球状按骨料达到最优密实度条件的三维级配曲线来确定骨,料分布级配曲线表达式为川二。、二丫式中为骨料通过直径为筛孔的质量分数二为最大骨料颗粒粒径图颖粒面积占的随机骨料模型,基于公式将三维级配曲线,转化为二维曲线得出了试件内截平面上任一点。。。,具有骨料直径的概率尸其表达式〔

6、习为‘。。、。一。’尸一。「典李、己、了竺生、十卫生、、,。二,‘,。护、吸了,口﹁卫匕、了、自产、一。二孕图颗粒面积占的随机骨料模型。,尸。其中为筛孔直径为骨料体积占混凝土总体积的分数,可图为常用的三种水工混凝土级配曲线以看出这些曲线与三维曲线吻合较好,这网格剖分技术的应用个结论为利用公式在二维试件内截面一般模型所采用的单元形式有确定各种粒径的骨料数目提供了依据困三角形单元或者是更为普遍的,任意多边形单元而三角剖分可以,通过转换图得到下面简单介绍〕二图的原理以二维为例,广图基本原理的依据是〕墉在年提出的一种利用已知点集将平面划分成凸多边形的理论这种理论的基

7、本‘,‘思想是假设平面上给出一组点则笼尸中图常用水工混凝土级配曲线,‘的每一个点不失一般性取其中的一点尸都,,‘有属于自己的一个区域使得区域内的任意尸尸,一点与该点点的距离都比与中其他点,可以计算根据上述二维级配曲线出各级别的距离近这种划分方法把平面划分成了一系列,骨料颗粒在试件内的个数然后从最大粒径骨料,,不重叠的凸多边形叫做区域覆盖整个,,颗粒开始由方法〕随机地产生每,,计算域如在图中个点组成的点集按照,已定位的颗粒所一颗粒的形心在试件内的位置理论将平面划分成了若干个凸多边形占位,置及周围一定范围之内其他颗粒不能侵其中有的凸多边形的顶点在无穷远处以点,,

8、,人按照这一规则从大到小随机定位直至最后,。。为例点