基于细观力学模型的混凝土静力破损行为研究

发布时间：2020-09-30 20:59

　　混凝土是一种用途广泛的多相复合材料,研究其在外载作用下的破损行为对工程应用领域及其重要。过去大多数是把混凝土当作均质材料,通过实验来研究其各种力学性能,该方法成本较高,周期较长。本文将混凝土视为骨料、砂浆基质及其二者之间的界面过渡区组成的多相复合材料,建立混凝土细观数值模型,在细观层面上对混凝土的破损行为进行研究。所做的工作如下:(1)将富勒级配曲线与瓦拉文公式相结合,将确定三维混凝土试件中骨料颗粒数量的方法应用到二维混凝土试件中,利用matlab软件编制了不同级配的骨料投放生成程序,为实现混凝土细观建模奠定了基础;(2)基于对粘聚力模型的理解,本文引入双线性粘聚力模型的牵引-分离曲线来描述细观层面上混凝土内骨料和砂浆基质间以及砂浆基质与砂浆基质间界面的本构关系,并结合相关文献,确定了本构模型中的参数,利用matlab软件编制了生成粘聚力单元的程序,并将其融合到有限元分析软件中;(3)根据编制的骨料投放程序,生成了不同级配的混凝土细观模型,并利用编制程序在骨料-砂浆基质界面和砂浆基质-砂浆基质界面分别插入粘聚力单元,研究了骨料体积含量及试件尺寸对抗拉强度的影响,结果表明随着骨料体积含量及试件尺寸的增加,试件内的界面过渡区也随之增加,导致抗拉强度逐渐降低,这说明混凝土抗拉强度主要由界面过渡区所决定,同时也证明本文所提出的利用粘聚力模型对细观混凝土材料进行分析具有可行性;(4)根据本文给出的混凝土细观建模方法,建立了弯曲梁数值分析的跨尺度计算模型,研究了两种类型三点弯曲梁破坏过程中构件的应力和裂纹的演化情况,结果表明当起始裂纹为梁高的0.25倍时,引起的应力集中系数为k=0.97;研究了四点弯曲梁的破坏过程,根据数值模拟得出的极限承载力计算出混凝土梁的弯拉强度,与已有实验结果相比,差值为4.65%。这说明本文所建立的混凝土细观分析方法能够较好的体现混凝土的力学性能和细观层面上的破坏过程。
【学位单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

范围,混凝土材料,多相复合材料,化学外加剂

华北水利水电大学硕士学位论文认识了不同层次下结构间的相互作用和联系，对混凝土材料的力学性能也有了更加全面的认识。混凝土材料作为一种用途广泛的非匀质多相复合材料，其由石子、水泥、砂、水作为基本材料，特殊情况下掺入矿物掺合料以及化学外加剂，按一定比例组合，经过一系列加工而生产出来。根据混凝土内部的结构可以认为其是一种可在多尺度下进行研究的多相复合材料。目前普遍把混凝土分为宏观尺度、细观尺度以及微观尺度三个层次进行研究，不同尺度的大致划分如图 1-1 所示，1989 年，Wittmann[2]首次将宏-细-微三种尺度的概念应用到混凝土材料研究领域。

网格模型

一方面来看也阻碍了裂纹的扩展进度，砂浆基质是另外两相的母体，因此其对裂纹的扩展也有决定性的作用。不同的学者基于对该概念的理解提出了各种混凝土细观力学模型。下面介绍常用的几种有限元细观数值模型[4]：1.3.1 网格模型网格模型首先被 Schlangen 和 Van Mier[5-8]用来模拟混凝土的断裂和渐近损伤过程。该模型首先将连续体分解为四边形网格或者三角形网格，网格一般由梁单元或杆单元组成，然后将混凝土细观各组分投影到网格上,接着根据细观各组分的分布，为网格上的梁单元赋予不同的力学参数，最后根据相应的强度准则来模拟混凝土的破坏过程，即梁单元的应力如果超过强度准则所规定的值，则判断该梁单元失效，然后将其剔除。网格模型在模拟混凝土受拉引起的断裂破坏过程时取得了较为理想的结果，但是在模拟由于受压引起的混凝土破坏过程时，结果并不令人满意，并且用该模型得到的应力-应变曲线表现出来混凝土的脆性要比实际上的更大，研究人员认为引起这种情况的原因是该模型忽视了混凝土里面的较小颗粒以及用二维数值模型来模拟三维结构，网格模型如图 1-2所示。

颗粒,网格模型,梁单元,强度准则

【参考文献】