考虑材料非均质性影响的混凝土破坏过程模拟
本文关键词: 混凝土 三相模型 ITZ过渡区 滞回曲线 细观损伤 出处:《东南大学》2015年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:从细观层次着手,将混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面层(ITZ)所组成的三相复合材料,建立了包含球形和椭球形骨料的混凝土三维体积元模型。模拟了混凝土单轴拉压破坏过程,探讨了ITZ过渡区缺陷对破坏过程的影响。进一步模拟了混凝土在循环荷载下的力学行为,通过修正混凝土塑性损伤模型,实现了对混凝土循环荷载下裂缝闭合行为的模拟。主要完成的工作如下:对现有的混凝土材料破坏模拟方法进行了总结,归纳和分析了混凝土宏观和细观破坏模型。依据文献中的试验数据,拟合反演得到混凝土塑性损伤模型中的相关参数,给出了模拟分析中需要的不同强度混凝土的应力应变关系曲线。在代表性体积元的基础上,建立了不同级配混凝土的计算模型。建立了球形和椭球形骨料的三维模型,模拟分析了混凝土单轴拉压的破坏过程。结果显示混凝土在单向拉压破坏过程中,薄弱的ITZ层诱导了混凝土内部的起裂过程。建立了具有不同ITZ层强度的混凝土模型,模拟结果显示ITZ层强度对极限荷载曲线以及损伤演化曲线影响显著,ITZ层强度越低极限荷载越低。通过控制变量法比较不同短长轴比值的椭球骨料模型对混凝土的应力应变曲线的影响,发现骨料的短长轴比值越大,混凝土的破坏软化过程越迅速。建立了均质和包含三维骨料非均质性影响的两类钢筋混凝土梁模型,结果表明局部的非均质性导致混凝土的拉压极限荷载以及弹性模量均有一定程度的下降。将这两类模型模拟得到的荷载和跨中挠度曲线与报道的试验曲线进行对比,发现非均质模型的加载曲线更接近试验曲线。对塑性损伤(CDP)模型进行了修正,修正后的CDP模型可以更高效地模拟混凝土中裂缝的闭合行为。模拟发现混凝土在弹性阶段,由于材料的非均质性导致ITZ层更易产生初始损伤,对后期裂纹的扩展影响显著。模拟分析了循环载荷下实际钢筋混凝土柱的破坏过程,结果表明修正的CDP模型可以有效地模拟钢筋混凝土滞回曲线中的捏拢现象。同时模拟了循环荷载作用下考虑非均质影响的混凝土代表体元的破坏过程,结果显示ITZ层强度不仅对代表体元的等效弹性模量以及极限荷载有较大的影响,而且对宏观破坏面的几何特征起到关键的作用,较小的ITZ层强度差异将导致破坏面的显著转移。混凝土的骨料随机性导致了轻微差别的ITZ强度模型发展出不同的宏观破坏面,循环荷载作用下骨料的随机性是代表体积元模型对ITZ层强度敏感的主要来源。
[Abstract]:The concrete is regarded as a three-phase composite composed of aggregate, mortar and the interfacial layer ITZ between them. A three-dimensional volumetric element model of concrete containing spherical and ellipsoidal aggregates is established, and the failure process of concrete under uniaxial tension and compression is simulated. The influence of defects in ITZ transition zone on the failure process is discussed. The mechanical behavior of concrete under cyclic load is further simulated, and the plastic damage model of concrete is modified. The simulation of crack closure behavior under cyclic loading of concrete is realized. The main work accomplished is as follows: the existing methods for simulating the failure of concrete materials are summarized. The macroscopic and mesoscopic failure models of concrete are summarized and analyzed. According to the experimental data in the literature, the relevant parameters in the plastic damage model of concrete are obtained by fitting and inversion. The stress-strain relation curves of concrete with different strength are given in the simulation analysis. On the basis of the representative volume element, the calculation model of concrete with different gradation is established, and the three-dimensional model of spherical and ellipsoidal aggregate is established. The failure process of concrete under uniaxial tension and compression is simulated and analyzed. The results show that the weak ITZ layer induces the initiation of cracks in concrete during uniaxial tension-compression failure. A concrete model with different strength of ITZ layer is established. The simulation results show that the strength of ITZ layer has a significant effect on the ultimate load curve and damage evolution curve. The lower the ultimate load of ITZ layer is, the lower the ultimate load is. The effect of the stress-strain curve, It is found that the larger the short axis ratio of aggregate is, the faster the failure softening process of concrete is. Two kinds of reinforced concrete beam models with homogeneous and three-dimensional aggregate heterogeneity are established. The results show that the ultimate load and elastic modulus of concrete decrease to some extent due to the local heterogeneity. The load and mid-span deflection curves simulated by these two models are compared with the reported experimental curves. It is found that the loading curve of the heterogeneous model is closer to the experimental curve. The plastic damage model is modified, and the modified CDP model can more efficiently simulate the crack closure behavior in concrete. It is found that the concrete is in the elastic stage. Due to the heterogeneity of the material, the ITZ layer is more prone to initial damage, which has a significant effect on the crack propagation in the later stage. The failure process of the actual reinforced concrete columns under cyclic loading is simulated and analyzed. The results show that the modified CDP model can effectively simulate the squeezing phenomenon in the hysteresis curve of reinforced concrete, and the failure process of the concrete representative element considering the heterogeneity under cyclic load is also simulated. The results show that the strength of the ITZ layer not only has a great influence on the equivalent elastic modulus and ultimate load of the representative volume element, but also plays a key role in the geometric characteristics of the macroscopic failure surface. The small difference in strength of ITZ layer leads to a significant transfer of failure surface. The randomness of concrete aggregate leads to the development of different macroscopic failure surfaces by slightly different ITZ strength models. The randomness of aggregate under cyclic loading is the main source of bulk element model's sensitivity to the strength of ITZ layer.
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TU528
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,本文编号:1519401
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