混凝土斷裂過程的細(xì)觀數(shù)值模型及其應(yīng)用.pdf

1、摘要(混疑、是一種I“程材料，、包括采礦!程在內(nèi)的、多，一程中用途極，。因此質(zhì)及其斷裂過程的研究對子采礦I程、地卜幾程以及結(jié)構(gòu)一程都是非常重要的。，其力學(xué)性有關(guān)混凝十力學(xué)特性的力學(xué)模型都是基于混凝十材料的宏觀層次研究其力學(xué)特性，其主要特點(diǎn)是把材料理想化為均質(zhì)體進(jìn)行研究，把實(shí)驗室尺度卜力學(xué)試驗的結(jié)果作為材料的力學(xué)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行更人尺度宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析。實(shí)驗室的實(shí)驗結(jié)果，往往也是代表一定尺寸非均勻性結(jié)構(gòu)材料的平均力學(xué)響應(yīng)。這種簡

2、化對于研究混凝十I.程結(jié)構(gòu)及進(jìn)行其穩(wěn)定性的數(shù)值分析是非常必要的，但是卻難于研究混凝十材料在外載荷作用卜，由于裂紋的萌生、擴(kuò)展及其貫通而導(dǎo)致的整個斷裂過程。日前，國際上對于混凝十材料力學(xué)性能的研究己經(jīng)開始從經(jīng)典的宏觀尺度轉(zhuǎn)向更細(xì)微的細(xì)觀尺度，建立了一些用于混這些模型還很不完善。而在國內(nèi)，這個方面的研究較少過程模擬的數(shù)值模ha但是，下哈疑土材料的細(xì)觀結(jié)鉤入手，應(yīng)用彈性損傷理建立描述了細(xì)觀單元的本構(gòu)關(guān)系，建立了混凝十的數(shù)值模刑，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行

3、了下落疑土斷裂過程的數(shù)值模擬研究。lylj了反映混凝土的非均勻性，本文從混凝土的細(xì)觀層次結(jié)構(gòu)出發(fā)，假設(shè)混凝十為砂漿基質(zhì)、A料顆粒及兩者之間的粘結(jié)帶組成的二相復(fù)合材料，并進(jìn)一步假定其三相組分的力學(xué)性質(zhì)滿足給定的統(tǒng)計分布。在數(shù)值模擬時，通過對不同組成相的單元賦以滿足Weibull分布的力學(xué)參數(shù)即可在數(shù)值上對混凝土這一典型非均勻體進(jìn)行表征。提出了組成混凝十細(xì)觀單元的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系，引入最人拉應(yīng)變準(zhǔn)則和摩爾庫侖準(zhǔn)則作為損傷的閥值條件，建立了該

4、數(shù)值模型的力學(xué)基礎(chǔ)。進(jìn)行了模型中有關(guān)參數(shù)(包括Weibull分布參數(shù)和單元本構(gòu)參數(shù))對于模擬結(jié)果影響的分析，為摸烈的合理性及其應(yīng)用時的參數(shù)賦值提供理論依據(jù)。以此為基礎(chǔ)，分析了該數(shù)值模烈用于模擬混凝土斷裂過程時力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的賦值問題，井給出了常用強(qiáng)度its凝十的數(shù)值模擬“配比方3“。進(jìn)行了混凝土在常規(guī)載荷(包括單軸壓縮、單軸拉伸和雙軸載荷作用)卜斷裂過程的數(shù)值模擬，以證明數(shù)值模型能夠較好地反映混凝士在這些平面受力狀態(tài)卜的力學(xué)性能以及斷裂特

5、性。把該數(shù)值模型與國內(nèi)外己有的用于混凝十?dāng)嗔涯M的細(xì)觀數(shù)值模Ji進(jìn)行比較，證明該模型不僅具備了其它模j0的優(yōu)點(diǎn)，而且是一個能夠模擬混凝十在雙軸載荷作用下強(qiáng)度及斷裂過程的細(xì)觀數(shù)值模型。進(jìn)行了鑒峪疑土拉伸斷裂、前切斷裂、以及復(fù)合刑斷裂的數(shù)值模擬，給出了斷裂過程中的ABSTRACTConcreteisanengineeringmaterialthatiswidelyusedinmanyengineeringincludingminingeng

6、ineering.Thereforetheinvestigationonitsmechanicalpropertiesandfractureprocessisofvitalimportancetominingengineeringundergroundengineeringandstructuralengineering.Theclassicmacroscopicmechanicalmodelswhichcharacterizethec

7、oncreteasacontinuumatmacroscopiclevelandconsiderthetestresultsoflaboratoryscalespecimenasthemechanicalpropertiesofthematerialcouldanalyzethemechanicalresponseofstructureswithgreatersize.Inrealitythetestresultsinlaborator

8、ythataregenerallycalledphysicalandmechanicalparametersofmaterialareanaverageresponsesofaheterogeneousspecimenwithacertainsize.Thiskindofhomogenizationisveryimportanttotheinvestigationofconcretestructuresandnumericalanaly

9、sisofengineering.Butitisdifficulttousethesemodelstostudythecompletefractureprocessofconcretecausedbytheinitiationpropagationandcoalescenceofcrackswhensubjectedexternalloading.Atpresentinternationalinvestigationsonthemech

10、anicalpropertiesofconcretearebeginningtotransferfromtheclassicmacroscopicleveltoaminorleveli.e.mesoscopiclevelandalotofmesoscopicmechanicalmodelshadbeenproposed.But.thesemodelsarenotperfecttosomedegree.InChinathesekindso

11、fresearchesareveryfew.Inthispaperamesoscopicnumericalmodelthatcansimulatethefractureofconcreteisproposedwhentheconcreteisrepresentedbasedonitsstructuresatmesolevelandtheconstitutivelawofmesoscopicelementsaredescribedwith

12、elasticdamagemechanics.Inordertoreflecttheheterogeneityofconcreteatmesoscopicleveltheconcreteisfirstlyassumedtobeathreephasecompositecomposedofmatrixaggregatesandbondinginterfacebetweenthemandadditionallythemechanicalpar

13、ametersofthesethreephasesareassumedtobeconformtoWeibulldistribution.DuringthenumericalsimulationtheheterogeneityisachievedbyspecifyingcorrespondingmechanicalparametersthatconformstoWeibulldistributiontothemesoscopiceleme

14、ntsthatrepresentthediferentphasesofconcrete.Thenumericalmodelistheorizedwhenanelasticdamagebasedconstitutiverelationshipofmesoscopicelementsisproposedbasedonthefracturecharacteristicsofconcreteandthemaximumtensilestrainc

15、riterionandMohrCoulombcriterionareemployedtobethedamagethresholdoftheseelements.Inadditiontheeffectofrelatedparametersusedinthemodels(whichincludeWeibulldistributionparametersandconstitutiveparametersofelements)onthenume