混凝土3D細觀力學模型研究及其應用.pdf

1、混凝土作為一種建筑材料已被廣泛地應用于民用和軍用工程中，如核電廠（安全殼）、隧道、橋梁、大壩、水電站、指揮所和地下掩體等。在細觀層次上，混凝土材料被普遍認為是由砂漿基體、粗骨料及介于二者之間的界面過渡區(qū)(Interfacial Transition Zone，ITZ)三相組成的復合材料。各組分材料的性質(zhì)、骨料體積含量、級配比以及密實度等因素直接或間接地決定了混凝土材料的宏觀力學特性和破壞模式。正因為混凝土在細觀結構上具有多種形態(tài)特征以及

2、變形和失效機理，使得其力學行為變得極其復雜。本文的主要工作是在深入了解混凝土的細觀結構特點和已有細觀力學模型建模方法的基礎上，建立了適用于大體積混凝土的三維細觀力學模型。全文的主要工作包括以下幾個方面:
　　深入分析了已有混凝土細觀模型（如格構模型、隨機粒子模型、隨機力學特性模型、Voronoi模型以及隨機骨料模型等）的優(yōu)缺點，重點研究了隨機骨料模型。研究發(fā)現(xiàn)，隨機骨料模型較其它四種模型沒有過多的假設和簡化，能夠更好地反映混凝土材

3、料的真實細觀結構。在此基礎上，利用單元重構技術在與骨料相鄰的基體內(nèi)創(chuàng)建ITZ相（在此利用3D殼單元模擬），并使得各相材料之間共用節(jié)點。該方法簡化了混凝土三維細觀力學模型的建模過程，提高了建模效率并大量減少了單元數(shù)量，進而節(jié)約了計算機時和提高了計算效率。從而使得該模型可適用于大體積混凝土的細觀力學計算。同時，只需在當前建模方法的基礎上相應地調(diào)整ITZ層的判斷準則，當前構建的三維混凝土細觀力學模型便可蛻變成已有的混凝土細觀力學模型。

4、　　在現(xiàn)有混凝土材料應變率效應研究的基礎上，進一步分析了混凝土SHPB實驗數(shù)據(jù)。假設尺寸效應只影響慣性約束效應而不影響材料真實應變率效應，由此從理論上推導了混凝土材料的實驗數(shù)據(jù)與材料真實應變率效應、慣性約束效應以及尺寸效應之間的定量關系。借助數(shù)值模擬SHPB實驗得到不同尺寸混凝土試樣的慣性約束效應，建立了不同尺寸試樣慣性約束效應之間的轉化關系并得到了尺寸效應因子。利用轉換關系統(tǒng)一了不同尺寸試樣的SHPB實驗數(shù)據(jù)，顯著地改善了實驗數(shù)據(jù)的分

5、散度。結果表明慣性約束效應和尺寸效應是影響混凝土SHPB實驗數(shù)據(jù)分散度的主要因素。利用定量關系得到了混凝土SHPB實驗真實應變率效應數(shù)據(jù)。
　　在分析已有預測混凝土彈性模量的理論模型基礎上，借助理論力學、彈性力學和相關幾何學知識推導了三相球模型來預測混凝土的彈性模量。利用研發(fā)的三維細觀力學模型數(shù)值計算了混凝土的宏觀彈性性能，計算結果與理論分析和實驗數(shù)據(jù)吻合得較好。
　　利用所研發(fā)的三維細觀力學模型數(shù)值模擬了混凝土層裂實驗并進

6、行了相關參數(shù)研究。通過數(shù)值模擬得到的層裂位置和破壞形貌與實驗觀察結果基本一致。深入研究了層裂實驗中的“反常”現(xiàn)象，通過多次加載的方法驗證了形成“反常”現(xiàn)象的主要原因是損傷積累所致。此外，分別利用三相、兩相和一相模型模擬了層裂實驗中的“反?！爆F(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)只有三相模型才能重復實驗現(xiàn)象。這表明ITZ相在損傷演化中起著重要作用。理論分析了三種典型三角波形導致混凝土發(fā)生多次層裂現(xiàn)象的先后順序并進行了相應的數(shù)值模擬驗證。在已知波形對層裂區(qū)寬度影響

7、的情況下，數(shù)值模擬研究了加載波的波長對混凝土層裂區(qū)域?qū)挾鹊挠绊懀措S著加載波長的減小，層裂區(qū)寬度逐漸減小，甚至不會出現(xiàn)層裂現(xiàn)象。因此，通過層裂實驗研究混凝土動態(tài)拉伸強度，需要選擇合適的子彈產(chǎn)生恰當?shù)牟ㄩL。
　　利用細觀力學模型數(shù)值模擬了平頭彈撞擊鋼筋混凝土靶的響應過程。建立了大體積鋼筋混凝土靶板的細觀模型，擴大了當前混凝土細觀力學模型的使用范圍，為從細觀層次上研究大體積混凝土結構的動態(tài)響應提供了新的思路。數(shù)值模擬了子彈分別以30m