基于Lattice模型的混凝土材料破壞過程模擬.pdf

1、鋼筋的銹蝕是影響如橋梁、碼頭等鋼筋混凝土結構耐久性能的重要因素之一。而鋼筋銹蝕產(chǎn)物導致的體積膨脹將會使保護層混凝土發(fā)生縱向劈裂裂縫、保護層脹裂破碎甚至剝落。這會直接影響混凝土結構的承載能力，更重要的是還會對結構的延性產(chǎn)生深遠的影響，從而導致結構不能滿足正常使用的要求。所以，充分認識銹脹裂紋的擴展過程對評估混凝土結構耐久性劣化程度至關重要。
　　對混凝土中裂紋的擴展過程開展模擬，可以為較深入認識鋼筋混凝土結構的銹脹破壞提供一定的基礎

2、。由于混凝土材料細觀結構的非均質(zhì)性特征對裂紋的擴展過程影響顯著，在計算模型中需要考慮非均質(zhì)的影響，這導致現(xiàn)有的模擬方法，如有限元法、邊界元法等在模擬混凝土中裂紋的擴展過程上有一定的局限性。為此，本文在前人的基礎上，改進三維Lattice模型，以空間桿單元來描述混凝土材料中的細觀三相結構;然后，引入彈性桿的拉伸損傷，設定其損傷失效條件來控制桿單元的破壞，由小范圍內(nèi)桿單元的失效來表征微裂紋的產(chǎn)生，并最終從宏觀上實現(xiàn)裂紋的延伸擴展?？紤]到混凝

3、土整體細觀結構的無序性，這樣模擬出的裂紋擴展是可以在任意方向上延伸擴展的。
　　本文針對混凝土材料Lattice模型的建立與修正開展了研究，對鋼筋銹脹致裂以及混凝土材料疲勞破壞過程進行了模擬，主要工作包括以下幾個方面:
　　首先，運用Abaqus軟件的網(wǎng)格劃分功能以及其中的USDFLD材料用戶子程序，將有限單元劃分下的實體單元按一定規(guī)律離散化為空間桿單元集合，設置桿單元的拉伸損傷演化過程，采用后期數(shù)據(jù)定位方式投入骨料、設定I

4、TZ層，來實現(xiàn)混凝土材料細觀結構的模擬。運用上述模型對混凝土立方塊拉、壓、剪問題進行數(shù)值模擬，結果表明，基于Lattice模型模擬得到的混凝土構件的宏觀裂紋擴展過程以及宏觀應力應變曲線與已有的結果吻合良好，且在較密的網(wǎng)格劃分下，Lattice模型的模擬結果具有較高的穩(wěn)定性。
　　其次，以Lattice模型與實體模型的響應對比為基礎，分析Lattice模型參數(shù)的修正方法:對單一材料模型，對比計算出Lattice模型與實體模型響應對比

5、量d、m，并由這兩個對比量對Lattice模型的彈模E及桿單元面積A進行修正，使得兩個模型的響應一致，達到修正的目的。對多材料的情況處理方法類似，但修正量隨模型中相對位置的變化存在一定偏差，由含骨料的三材料Lattice模型修正結果可知，外部響應最大偏差值在5％左右，而內(nèi)部骨料附近位置，最大位移偏差保持恒定，最大應力偏差增加了5％。
　　接著，基于修正后的Lattice模型，對鋼筋混凝土銹脹破壞過程進行模擬計算，計算結果表明:中部

6、鋼筋銹蝕引起的裂紋，主要為底端豎向裂紋;對于角部鋼筋銹蝕引起的裂紋，在其外側(cè)混凝土厚度不足時，底端豎向裂紋和外側(cè)水平裂紋都有可能貫通至混凝土表面;對于多根鋼筋的情況，水平裂紋傾向于往連通各鋼筋的方向發(fā)展，并由此減弱了角部鋼筋裂紋向側(cè)邊的擴展趨勢;附加箍筋對其影響范圍內(nèi)的混凝土產(chǎn)生環(huán)箍作用，從而延緩了箍筋外的銹脹效應，使得臨界銹蝕率得到了提升;非均勻位移加載下模擬產(chǎn)生的裂紋擴展路徑更為精確而可預測，因此適用性更好;綜合考慮銹脹效應與疲勞效