基于内聚力模型的混凝土细观受拉力学性能研究

发布时间：2020-09-30 02:03

　　混凝土材料是由水泥砂浆、骨料以及各种缺陷所组成的复杂非均匀材料,其中各组分材料都会对混凝土材料力学性能产生显著的影响。混凝土的内部结构直接影响到混凝土材料的开裂。为了研究的方便性,传统对混凝土的研究,将混凝土假设成为一种均匀的材料,从宏观层次上来研究混凝土。混凝土宏观层次研究有助于解决工程实际问题,但是不能从理论上很好的揭示混凝土破坏机理。本文从细观层次出发,考虑混凝土材料的非均匀性,将其看成由砂浆、骨料以及两者之间的界面所组成的三相复合材料。在此基础上,本文的主要研究工作以及结论如下:(1)介绍了混凝土细观力学研究现状,采用骨料级配理论,依据蒙特卡罗方法以及相关骨料投放算法编写圆形、椭圆形以及多边形二维随机骨料投放程序,程序通过“面积占有率”控制骨料的投放。(2)详细阐述了内聚力模型以及零厚度内聚力单元的嵌入方法,通过程序在随机骨料模型中嵌入内聚力单元,内聚力单元嵌入区域即为裂缝潜在区域,给内聚力单元赋予牵引力-分离的本构关系,以此来建立混凝土细观内聚力模型。(3)本文模拟了无孔隙混凝土试件的单轴受拉破坏形态,研究了骨料含量、骨料形状以及界面力学参数(界面强度、界面断裂能)对混凝土力学性能的影响。研究结果表明:随着骨料含量的增加,混凝土弹性模量呈线性增加趋势,抗拉强度呈指数下降趋势;在骨料含量相同的情况下,骨料形状会影响混凝土的抗拉强度;界面强度的改变将影响混凝土裂缝起裂位置以及裂缝形态,随着界面强度的增加,试件抗拉强度呈线性增加;界面断裂能的改变基本不会影响混凝土裂缝起裂位置、主裂缝形态以及试件抗拉强度,随着界面断裂能的增加,混凝土抗软化能力越强。(4)通过对细观模型引入孔隙,模拟了含孔隙混凝土单轴受拉破坏形态。研究了孔隙率、孔径以及孔隙形状对混凝土力学性能的影响。研究结果表明:随着孔隙率的增加,试件弹性模量呈线性下降趋势,抗拉强度呈指数下降趋势;在孔隙率一定的情况下,随着混凝土孔径的增大,抗拉强度呈现指数下降的趋势,但弹性模量不随孔径的变化而发生变化;过于狭长的椭圆孔隙会降低试件的弹性模量以及抗拉强度,但是椭圆孔隙短长轴比较大时,圆形孔隙与椭圆孔隙试件的弹性模量以及抗拉强度比较接近。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU528
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 混凝土材料损伤断裂过程
    1.3 混凝土细观力学研究现状
        1.3.1 混凝土力学性能研究尺度
        1.3.2 混凝土细观力学数值模型
    1.4 本文的研究的主要内容
2 混凝土细观模拟常用方法介绍
    2.1 蒙特卡罗方法简介
    2.2 骨料级配理论
    2.3 随机骨料模型的生成与投放
        2.3.1 圆形随机骨料的生成与投放
        2.3.2 椭圆随机骨料的生成与投放
        2.3.3 多边形随机骨料的生成与投放
    2.4 本章小结
3 混凝土细观内聚力有限元模型及分析方法
    3.1 有限元模型的建立
        3.1.1 模拟混凝土断裂模型
        3.1.2 零厚度内聚力单元的嵌入
        3.1.3 界面过渡区
    3.2 内聚力模型本构关系
    3.3 ABAQUS软件非线性求解算法
        3.3.1 隐式求解算法
        3.3.2 显式求解算法
    3.4 本章小结
4 混凝土细观受拉数值模拟
    4.1 材料参数的选取以及加载方式
    4.2 混凝土受拉破坏形态
    4.3 骨料含量对混凝土力学性能影响
    4.4 骨料形状对混凝土力学性能影响
    4.5 界面性能对混凝土力学性能的影响
        4.5.1 界面强度对混凝土力学性能的影响
        4.5.2 界面断裂能对混凝土力学性能的影响
    4.6 本章小结
5 孔隙对混凝土力学性能影响
    5.1 含孔隙混凝土受拉破坏形态
    5.2 孔隙率对混凝土力学性能的影响
    5.3 孔径对混凝土力学性能的影响
    5.4 孔隙形状对混凝土力学性能的影响
    5.5 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢

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