混凝土试件细观结构的数值模拟

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1、水利学报2004年10月SHUILIXUEBAO第10期文章编号:0559-9350(2004)10-0027-09混凝土试件细观结构的数值模拟1，221马怀发，陈厚群，黎保琨(1.北京工业大学分部，北京100044；2.中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心，北京100044)摘要：本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉

2、细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲

3、线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。关键词：混凝土；随机骨料模型；细观力学；数值模拟中图分类号：TV313文献标识码：A大坝混凝土属于大体积全级配混凝土，其粗骨料含量一般高达60%～70%，而普通混凝土中的粗骨料用量含量仅30%～40%。湿筛法改变了混凝土中各相材料的组成比例，特别是水泥砂浆含量与骨料含量的比例产生了相当大的变化，使得室内试验测试的各类性能指标不能真正代表和反映大坝混凝土的实际性能指标。因此，大坝混凝土的强度、弹性模量等特性的测试，必须采用多粒组骨料的全级配混凝土来进行。要进行较大规模的全级配大

4、坝混凝土强度试验，需要化费大量的人力、物力，所得到的试验成果又往往受到试验条件、环境条件等因素的影响。近年来，以基本试验数据和静、动力学理论为基础，以数值方法模拟[1～15]混凝土细观结构裂缝产生、扩展及其与宏观力学性能关系的细观力学方法已经发展起来。混凝土由于泌水、干缩和温度变化引起骨料和水泥浆体之间产生初始黏结裂缝，细观内部裂缝的发展直接影响混凝土的宏观力学性能。在细观层次上，混凝土是由粗骨料、水泥水化物、孔隙及骨料与水泥砂浆黏结带(界面)等细观结构组成的多相复合材料。细观力学方法正是基于混凝土这些特性，来研究混凝土细微观结构各种缺陷及其特性的不均匀性与其宏

5、观力学特性的关系。为了对混凝土各相材料的力学性质进行细观力学数值模拟，人们提出了许多研究混凝土损伤断裂过程[16]的细观力学模型。最具典型的细观数值模型有格构模型(Latticemodel)、随机力学特性模型(Randompropertymodel)和随机骨料模型(Randomaggregatemodel)。这些模型都假定混凝土是水泥砂浆基质、骨料和两者之间的黏结界面组成的三相复合材料，用细观层次上简化的本构关系和破坏准则来模拟复杂的宏观损伤断裂过程。格构模型是将连续介质在细观尺度上离散成由弹性杆件或梁单元联结而成的格构系统。由于在格构模型中采用简单的本构关系和

6、单轴强度破坏准则，并通过一定的概率分布方式描述材料性收稿日期：2003-12-16作者简介：马怀发(1962-)，男，山东人，博士生，副教授，主要从事计算力学数值方法、水工结构抗震研究。1水利学报2004年10月SHUILIXUEBAO第10期能和骨料分布的细观非均匀性，因此，从20世纪80年代后期，许多学者采用该模型模拟非均质材料的破坏[２～9]过程。研究表明，利用该模型模拟因拉伸破坏所引起的断裂过程是非常有效的。该模型采用的杆单元的本构关系和破坏准则简单，但不能反映单元实际变形形态，单元的破坏为不可逆过程，很难反映卸载问题。文献[17]利用混凝土各相材料力学

7、特性按Weibull随机分布假定的细观模型，分别对混凝土单轴拉压、双轴拉压组合、拉伸(Ⅰ)型断裂三点弯拉以及剪切断裂进行了较为系统的数值模拟。该模型仅考虑了混凝土各相材料力学特性分布的随机性，未考虑混凝土粗骨料颗粒分布的随机性。实际上这两者对计算结果均[10]有影响。瓦拉文(WalaravenJ.C.)公式将三维富勒(Fuller)骨料级配曲线转化为二维平面骨料级配问题，[11]避免了三维试件计算上的困难，这样可以基于瓦拉文公式生成随机骨料模型。刘光廷等据此用数值方法模拟了混凝土材料的断裂；文献[12]据此用刚体-弹簧元数值模型模拟了混凝土单轴抗拉、抗压及抗折破

8、[13～15]坏过程，并