基于離散單元法的混凝土細(xì)觀力學(xué)模型及其應(yīng)用.pdf

1、已有試驗(yàn)及研究結(jié)果表明，混凝土材料的宏觀破壞過程與其細(xì)觀(或微觀)的非均勻性是密切相關(guān)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(xì)觀尺度范圍內(nèi)進(jìn)行混凝土破壞過程的研究對于了解混凝土的宏觀破壞機(jī)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(xì)觀力學(xué)模型，并通過試驗(yàn)獲得各相材料的力學(xué)性能，最后通過數(shù)值模擬得到混凝土的宏觀力學(xué)性能與破壞機(jī)理。主要工作與成果包括以下幾方面內(nèi)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(xì)觀力學(xué)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(zhuǎn)變。彈簧破壞后，單元間由連接關(guān)系轉(zhuǎn)化為接觸關(guān)系。模型采用理想彈塑性的彈簧本構(gòu)，以及試驗(yàn)中獲得的壓剪耦合的破壞準(zhǔn)則。受力過程采用離散單元法的動(dòng)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(shè)計(jì)的壓剪、拉剪耦合受力試驗(yàn)裝置獲得水泥砂漿在

3、壓剪、拉剪耦合作用下的破壞準(zhǔn)則。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力比(截面壓應(yīng)力與軸心抗壓強(qiáng)度之比)大于0.6后，壓應(yīng)力的提高對水泥砂漿抗剪強(qiáng)度的提高再無有利貢獻(xiàn)。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(jié)性能的研究。采用現(xiàn)場檢測儀器Pull-out Tester試驗(yàn)得到的界面粘結(jié)抗拉強(qiáng)度大約為水泥砂漿抗拉強(qiáng)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(zhǔn)則。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傾角大于50°后，界面粘結(jié)抗

4、剪強(qiáng)度隨著界面正應(yīng)力的提高而降低；界面內(nèi)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(jí)配的混凝土建立二維幾何模型，對細(xì)觀單元材料屬性進(jìn)行定義和考慮其不均勻性。核心計(jì)算過程實(shí)現(xiàn)了位移荷載施加、動(dòng)態(tài)松弛求解過程、試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(jìn)行分步查詢顯示和動(dòng)態(tài)演示。
　　 對影響數(shù)

5、值仿真結(jié)果的幾何參數(shù)、計(jì)算參數(shù)、力學(xué)參數(shù)分別進(jìn)行了分析。綜合考慮計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的要求，選取數(shù)值模型的單元尺寸為2.5mm。數(shù)值模擬與已有尺寸效應(yīng)研究結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，材料抗壓強(qiáng)度滿足Carpinteri尺寸效應(yīng)律，抗拉強(qiáng)度滿足Webull尺寸效應(yīng)律。借助尺寸效應(yīng)律，將宏觀試驗(yàn)獲得的水泥砂漿及界面力學(xué)性能參數(shù)轉(zhuǎn)化為了細(xì)觀力學(xué)模型中單元的力學(xué)性能參數(shù)。
　　 將仿真系統(tǒng)對水泥砂漿以及混凝土試件的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)比較

6、和分析，結(jié)果表明提出的數(shù)值模型以及仿真系統(tǒng)可以較真實(shí)地反映混凝土受力后的力學(xué)行為以及破壞形態(tài)，并得到理想的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線。數(shù)值模型對高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的模擬效果比低強(qiáng)度等級(jí)好。細(xì)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(jìn)行了提取并建立二維幾何模型；數(shù)值模擬以及試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)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(yàn)得到的軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)

7、變平均曲線位于數(shù)值模擬得到的統(tǒng)計(jì)平均曲線的1倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍之內(nèi)。
　　 通過數(shù)值模擬以及試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，混凝土宏觀強(qiáng)度的變異性，是初始缺陷、細(xì)觀材料不均勻性以及粗骨料分布的隨機(jī)性等因素綜合作用的結(jié)果。混凝土內(nèi)部的初始缺陷以及細(xì)觀材料力學(xué)性能的不均勻性是混凝土產(chǎn)生塑性變形的主要因素。數(shù)值模擬還發(fā)現(xiàn)，粗骨料分布的隨機(jī)性，對混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都有較大影響。由于骨料分布的隨機(jī)性使得混凝土強(qiáng)度、彈性模量以及泊松比的分布均呈正態(tài)分