基于離散單元法的混凝土細觀力學模型及其應用.pdf

1、已有試驗及研究結果表明，混凝土材料的宏觀破壞過程與其細觀(或微觀)的非均勻性是密切相關的，粗骨料和水泥砂漿之間的界面層是混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)。在細觀尺度范圍內進行混凝土破壞過程的研究對于了解混凝土的宏觀破壞機制等是非常有用的。論文基于多尺度研究理念，建立混凝土細觀力學模型，并通過試驗獲得各相材料的力學性能，最后通過數值模擬得到混凝土的宏觀力學性能與破壞機理。主要工作與成果包括以下幾方面內容：
　　 基于離散單元法和多剛體.彈簧法

2、，考慮混凝土由水泥砂漿、粗骨料以及二者的界面層(零厚度)組成，建立混凝土的二維細觀力學模型。通過單元之間連接彈簧的破壞，表征混凝土材料開裂后由連續(xù)體向不連續(xù)體的轉變。彈簧破壞后，單元間由連接關系轉化為接觸關系。模型采用理想彈塑性的彈簧本構，以及試驗中獲得的壓剪耦合的破壞準則。受力過程采用離散單元法的動態(tài)松弛求解方法，避免了傳統(tǒng)多剛體-彈簧法中對整體剛度矩陣的求解過程。
　　 采用自行設計的壓剪、拉剪耦合受力試驗裝置獲得水泥砂漿在

3、壓剪、拉剪耦合作用下的破壞準則。試驗發(fā)現(xiàn)，壓應力比(截面壓應力與軸心抗壓強度之比)大于0.6后，壓應力的提高對水泥砂漿抗剪強度的提高再無有利貢獻。采用具有相似表面粗糙度的大理石替代混凝土中的卵石粗骨料，用于界面粘結性能的研究。采用現(xiàn)場檢測儀器Pull-out Tester試驗得到的界面粘結抗拉強度大約為水泥砂漿抗拉強度的1/2。采用帶有不同傾角大理石骨料的棱柱體試件獲得界面壓剪耦合作用下的破壞準則。結果發(fā)現(xiàn)，傾角大于50°后，界面粘結抗

4、剪強度隨著界面正應力的提高而降低；界面內摩擦角約為35°。
　　 采用C++語言開發(fā)了混凝土材料破壞過程仿真系統(tǒng)。前處理模塊可以對不同骨料級配的混凝土建立二維幾何模型，對細觀單元材料屬性進行定義和考慮其不均勻性。核心計算過程實現(xiàn)了位移荷載施加、動態(tài)松弛求解過程、試件應力-應變關系的獲取等。后處理模塊可對試件受力過程中位移、裂縫發(fā)展以及單元破壞方式(受拉、拉剪、壓剪以及受壓破壞)進行分步查詢顯示和動態(tài)演示。
　　 對影響數

5、值仿真結果的幾何參數、計算參數、力學參數分別進行了分析。綜合考慮計算時間與計算精度的要求，選取數值模型的單元尺寸為2.5mm。數值模擬與已有尺寸效應研究結果的對比發(fā)現(xiàn)，材料抗壓強度滿足Carpinteri尺寸效應律，抗拉強度滿足Webull尺寸效應律。借助尺寸效應律，將宏觀試驗獲得的水泥砂漿及界面力學性能參數轉化為了細觀力學模型中單元的力學性能參數。
　　 將仿真系統(tǒng)對水泥砂漿以及混凝土試件的數值模擬結果與試驗結果進行了詳細比較

6、和分析，結果表明提出的數值模型以及仿真系統(tǒng)可以較真實地反映混凝土受力后的力學行為以及破壞形態(tài)，并得到理想的應力-應變全過程曲線。數值模型對高強度等級混凝土的模擬效果比低強度等級好。細觀層次上，混凝土中的界面以單元的受剪破壞為主，水泥砂漿以單元的受拉破壞為主。
　　 對切割試件截面上的骨料分布信息進行了提取并建立二維幾何模型；數值模擬以及試驗結果的統(tǒng)計分析表明，二維模型能夠模擬出三維試件表面的破壞形態(tài)，且試驗得到的軸心受壓應力-應

7、變平均曲線位于數值模擬得到的統(tǒng)計平均曲線的1倍標準差范圍之內。
　　 通過數值模擬以及試驗結果的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，混凝土宏觀強度的變異性，是初始缺陷、細觀材料不均勻性以及粗骨料分布的隨機性等因素綜合作用的結果?；炷羶炔康某跏既毕菀约凹氂^材料力學性能的不均勻性是混凝土產生塑性變形的主要因素。數值模擬還發(fā)現(xiàn)，粗骨料分布的隨機性，對混凝土各項力學性能指標都有較大影響。由于骨料分布的隨機性使得混凝土強度、彈性模量以及泊松比的分布均呈正態(tài)分