混凝土3D細(xì)觀力學(xué)模型研究及其應(yīng)用.pdf

1、混凝土作為一種建筑材料已被廣泛地應(yīng)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(xì)觀層次上，混凝土材料被普遍認(rèn)為是由砂漿基體、粗骨料及介于二者之間的界面過(guò)渡區(qū)(Interfacial Transition Zone，ITZ)三相組成的復(fù)合材料。各組分材料的性質(zhì)、骨料體積含量、級(jí)配比以及密實(shí)度等因素直接或間接地決定了混凝土材料的宏觀力學(xué)特性和破壞模式。正因?yàn)榛炷猎诩?xì)觀結(jié)構(gòu)上具有多種形態(tài)特征以及

2、變形和失效機(jī)理，使得其力學(xué)行為變得極其復(fù)雜。本文的主要工作是在深入了解混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和已有細(xì)觀力學(xué)模型建模方法的基礎(chǔ)上，建立了適用于大體積混凝土的三維細(xì)觀力學(xué)模型。全文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　深入分析了已有混凝土細(xì)觀模型（如格構(gòu)模型、隨機(jī)粒子模型、隨機(jī)力學(xué)特性模型、Voronoi模型以及隨機(jī)骨料模型等）的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)研究了隨機(jī)骨料模型。研究發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)骨料模型較其它四種模型沒(méi)有過(guò)多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，能夠更好地反映混凝土材

3、料的真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用單元重構(gòu)技術(shù)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(diǎn)。該方法簡(jiǎn)化了混凝土三維細(xì)觀力學(xué)模型的建模過(guò)程，提高了建模效率并大量減少了單元數(shù)量，進(jìn)而節(jié)約了計(jì)算機(jī)時(shí)和提高了計(jì)算效率。從而使得該模型可適用于大體積混凝土的細(xì)觀力學(xué)計(jì)算。同時(shí)，只需在當(dāng)前建模方法的基礎(chǔ)上相應(yīng)地調(diào)整ITZ層的判斷準(zhǔn)則，當(dāng)前構(gòu)建的三維混凝土細(xì)觀力學(xué)模型便可蛻變成已有的混凝土細(xì)觀力學(xué)模型。

4、　　在現(xiàn)有混凝土材料應(yīng)變率效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了混凝土SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。假設(shè)尺寸效應(yīng)只影響慣性約束效應(yīng)而不影響材料真實(shí)應(yīng)變率效應(yīng)，由此從理論上推導(dǎo)了混凝土材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與材料真實(shí)應(yīng)變率效應(yīng)、慣性約束效應(yīng)以及尺寸效應(yīng)之間的定量關(guān)系。借助數(shù)值模擬SHPB實(shí)驗(yàn)得到不同尺寸混凝土試樣的慣性約束效應(yīng)，建立了不同尺寸試樣慣性約束效應(yīng)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系并得到了尺寸效應(yīng)因子。利用轉(zhuǎn)換關(guān)系統(tǒng)一了不同尺寸試樣的SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯著地改善了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分

5、散度。結(jié)果表明慣性約束效應(yīng)和尺寸效應(yīng)是影響混凝土SHPB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散度的主要因素。利用定量關(guān)系得到了混凝土SHPB實(shí)驗(yàn)真實(shí)應(yīng)變率效應(yīng)數(shù)據(jù)。
　　在分析已有預(yù)測(cè)混凝土彈性模量的理論模型基礎(chǔ)上，借助理論力學(xué)、彈性力學(xué)和相關(guān)幾何學(xué)知識(shí)推導(dǎo)了三相球模型來(lái)預(yù)測(cè)混凝土的彈性模量。利用研發(fā)的三維細(xì)觀力學(xué)模型數(shù)值計(jì)算了混凝土的宏觀彈性性能，計(jì)算結(jié)果與理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好。
　　利用所研發(fā)的三維細(xì)觀力學(xué)模型數(shù)值模擬了混凝土層裂實(shí)驗(yàn)并進(jìn)

6、行了相關(guān)參數(shù)研究。通過(guò)數(shù)值模擬得到的層裂位置和破壞形貌與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果基本一致。深入研究了層裂實(shí)驗(yàn)中的“反?！爆F(xiàn)象，通過(guò)多次加載的方法驗(yàn)證了形成“反?！爆F(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(shí)驗(yàn)中的“反?！爆F(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)只有三相模型才能重復(fù)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致混凝土發(fā)生多次層裂現(xiàn)象的先后順序并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬驗(yàn)證。在已知波形對(duì)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(zhǎng)對(duì)混凝土層裂區(qū)域?qū)挾鹊挠绊?，即隨著加載波長(zhǎng)的減小，層裂區(qū)寬度逐漸減小，甚至不會(huì)出現(xiàn)層裂現(xiàn)象。因此，通過(guò)層裂實(shí)驗(yàn)研究混凝土動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度，需要選擇合適的子彈產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。
　　利用細(xì)觀力學(xué)模型數(shù)值模擬了平頭彈撞擊鋼筋混凝土靶的響應(yīng)過(guò)程。建立了大體積鋼筋混凝土靶板的細(xì)觀模型，擴(kuò)大了當(dāng)前混凝土細(xì)觀力學(xué)模型的使用范圍，為從細(xì)觀層次上研究大體積混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了新的思路。數(shù)值模擬了子彈分別以30m