基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验.pdf

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1、第9卷第2期中国水利水电科学研究院学报Vo1．9No．220l1年6月JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchJune,201l文章编号：1672—3031(2011)02—0088—08基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验赵妍，张国新，林易澍2武晓川。(1．中国水利水电科学研究院材料结构研究所，北京100038；2．河海大学水利水电工程学院，江苏南京210029；3．北方国际合作股份有限公司，北京100053)摘要：从混凝土细观结构出发，假定

2、混凝土由砂浆、骨料界面组成的多相复合材料，以试验为基础赋予各相材料的参数模拟加载过程中从细观到宏观的力学响应。考虑各相组分的非均匀性，借助蒙特卡罗方法和Fuller级配公式，产生随机骨料模型。扩展后的二阶流形元法，可以模拟混凝土受力、变形和破坏的全过程，可以追踪多裂隙的扩展，裂缝闭合后的压剪。开裂面可利用应力结果自动搜索，而不必人为预设。利用改进的流形元进行混凝土力学特性数值试验的模拟研究，再现了混凝土单轴受压、受拉试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至破坏的过程，及其宏观应力一应变曲线的变化情况。数值模拟结果与试验统计结果相

3、符。关键词：混凝土细观结构；力学特性；随机骨料模型；二阶流形元中图分类号：TU528文献标识码：A1研究背景混凝土是工程中广泛应用的一种材料，在细观层面表现为多相非均质性。目前进行混凝土力学试验是研究其力学特性最基本的方法，但是力学试验需要花费大量的人力、物力，所得到的试验结果又往往与试验条件、环境条件等的变化及材料本身的复杂性有关，使得试验成果相对离散。数值试验是近些年发展起来的一种新的方法，采用非线性方法，通过对数值试件细观层面的力学特性的精细模拟，可以得到试件宏观力学性质。数值试验方法可以避免一些不确定因素的影响、可在电

4、脑上进行大量的重复试验、可以节省大量的人力物力。因此宏观与细观相结合，以基本物理试验数据和静动力学理论为基础，用数值方法模拟混凝土细观结构裂纹产生、扩展及与宏观力学性能关系的细观力学已经发展起来，成为20世纪90年代重要研究方向之一。在细观层次上，混凝土是由粗骨料、水泥水化物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。为了对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断裂过程的细观力学模型⋯。最具典型的有格构模型(Latticemode1)、随机粒子模型(Randomparti—clemod

5、e1)、MohamedAR等提出的细观模型、随机骨料模型(Randomaggregatemode1)、唐春安等人提出的随机力学特性模型以及马怀发提出的随机骨料随机参数模型等，这些细观模型各具优缺点。目前从细观层次上模拟混凝土断裂，大多都是基于有限元完成的。1996年前后，王宗敏首先用精细网格有限元模拟混凝土的破坏，当单元受拉破坏后，将单元去掉，该方法建大实用，但是这带来了质量和能量的不守恒，只能模拟混凝土的拉裂破坏。2004年，朱万成等等利用开发的MFPA2D进行了混凝土细观力学性质对宏观断裂过程影响的数值试验，该系统仅考虑了

6、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。于庆磊等等应用数字图像处理技术，在细观上表征混凝土材料中由骨料的形状、大小和分布对混凝土材料造成的非均匀性；采用统计力学方法描述材料的非均匀性，模拟了混凝土单轴荷载作用下的破坏过程。马怀发等等在随机骨料模型的基础上提出了随机骨料随机参数模型。该模型不仅考虑了骨料按级配随机分布，而且考虑了混凝土及其细观各相单元的抗拉强度和弹性模量均为随机参收稿日期：2010—08—16作者简介：赵妍(1978一)，女，河北乐亭人，博士，工程师，主要从事复杂结构的数值模拟。E

7、—mail：zhaoyan@iwhr．tom一88—基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验赵妍张国新林易澍武晓J数，遵循对数正态分布。由于目前的数值试验难以模拟界面的接触非线性和界面的压剪破坏，因此只能模拟拉裂破坏。石根华提出的数值流形元法为混凝土断裂的模拟开辟了新的途径。该方法充分吸收了DDA的块体模拟和接触模拟的优点，用一套物理网格定义和处理块体边界及构造面，可以很好地模拟块体接触运动，离散体大位移问题。同时用一套数学网格定义块体内部的位移插值函数，可以像有限元那样计算块体内部的应力。张国新对石根华的数值流形法进行了较大

8、的扩展，使流形法可以模拟结构的剪断、完整块体内裂纹的生成及多裂纹的追踪等。本文从细观角度出发，假定混凝土为由砂浆基质、骨料组成的多相复合材料，借助蒙特卡罗方法，在试件截面上随机确定骨料的位置、形状和尺寸，产生出随机骨料模型。利用改进的流形元法特有的两套网格和完善的一整套接触搜