钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料细观力学分析模型的基础上,提出了一种钢筋混凝土构件非线性力学特性分析的细观数值方法。使用这种细观力学方法对轴压加载作用下某一钢筋混凝土柱的损伤破坏过程及宏观力学特性进行了数值模拟研究,并与试验结果和宏观力学模型方法分析结果进行了对比。研究表明：（1）细观尺度上,采用细观力学模型获得的钢筋混凝土柱的破环模式及宏观力学性能均与试验结果吻合良好,验证了本文细观力学方法的有效性和准确性;（2）相比于宏观尺度分析模型,细观力学模型考虑了混凝土的非均质特性,从而更真实地揭示了钢筋混凝土柱的破坏过程及破坏模式,且计算结果与试验结果对比也更为吻合。     

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料的细观力学分析模型基础上，提出了一种钢筋混凝土构件非线性力学特性分析的细观数值方法。使用本文细观力学方法对轴压加载作用下某一钢筋混凝土柱的损伤破坏过程及宏观力学特性进行了数值模拟研究，并与试验结果和宏观力学模型方法分析结果进行了对比。研究表明：(1) 细观尺度上，采用细观力学模型获得的钢筋混凝土柱的破环模式及宏观力学性能均与试验结果吻合很好，验证了本文细观力学方法的有效性和准确性；(2) 相比于宏观尺度分析模型，细观力学模型考虑了混凝土的非均质特性，从而更真实地揭示了钢筋混凝土柱的破坏过程及破坏模式，且计算结果与试验结果对比也更为吻合。     

物质点法在椭圆骨料混凝土损伤模拟中的应用

为研究混凝土结构的宏观力学响应及损伤行为,应用物质点法这一新型数值方法对椭圆骨料混凝土进行数值模拟研究。基于蒙特卡罗模拟方法,考虑混凝土的细观结构,提出了一种构建随机椭圆骨料混凝土细观几何模型的方法。在该几何模型的基础上,进一步提出一种快速建立混凝土细观物质点模型的方法。分别以弹塑性损伤本构模型和弹性本构模型模拟砂浆和骨料的力学行为,采用开发的物质点法程序对混凝土数值模型进行了单轴拉伸及单轴压缩数值试验。结果表明,物质点法模拟所得的结果与设计规范及有限元结果相近。可见,物质点法为混凝土结构损伤行为的数值模拟提供了一条可行的途径。     

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响。适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程，分析了骨料分布和形态的随机特性，按照骨料切面几何图形面积等效的原则，将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系，编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。     

钢筋混凝土柱轴心受压性能及尺寸效应的细观数值研究

钢筋混凝土构件的尺寸效应行为根源于两个方面:(1)混凝土材料本身的非均质性导致的尺寸效应;(2)钢筋/混凝土相互作用力学行为的高度复杂性导致的尺寸效应。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,建立了钢筋混凝土柱轴心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。首先通过对混凝土试件受压力学特性试验的模拟,采用反演法确定了各细观组分的力学参数;进而,对某钢筋混凝土柱轴心受压损伤破坏行为进行了宏/细观尺度数值模拟,并初步探讨了钢筋混凝土构件名义轴心压缩强度的尺寸效应规律。本文细观数值结果与试验结果的良好吻合,验证了建立的钢筋混凝土构件层次尺寸效应研究的细观分析方法的合理性。     

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求，给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上，形成随机凸多面体骨料模型。同时，研究了细观单元属性判别方法，编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量，而且计及了骨料的实际形态。     

基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验

从混凝土细观结构出发,假定混凝土由砂浆、骨料界面组成的多相复合材料,以试验为基础赋予各相材料的参数模拟加载过程中从细观到宏观的力学响应。考虑各相组分的非均匀性,借助蒙特卡罗方法和Fuller级配公式,产生随机骨料模型。扩展后的二阶流形元法,可以模拟混凝土受力、变形和破坏的全过程,可以追踪多裂隙的扩展,裂缝闭合后的压剪。开裂面可利用应力结果自动搜索,而不必人为预设。利用改进的流形元进行混凝土力学特性数值试验的模拟研究,再现了混凝土单轴受压、受拉试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至破坏的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。数值模拟结果与试验统计结果相符。     

水工沥青混凝土三轴试验的三维细观模拟

基于颗粒离散元理论,利用沥青混凝土三轴试验进行三维数值模拟,对水工沥青混凝土的细观性能研究具有重要意义。通过数值模拟发现:根据沥青混凝土的材料组成及特性,选择合适的材料单元间的接触本构模型以及合理的细观力学参数,使用颗粒流PFC3D软件可近似模拟沥青混凝土的室内三轴试验,并可再现试件剪切破坏的发展过程;数值模拟试验所得到的应力-应变曲线及体积应变-轴向应变曲线与室内三轴试验结果基本一致。     

基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展

系统综述了基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟的研究现状,介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用。重点对微平面模型、二维格构模型、随机粒子模型、细观结构模型、可考虑微裂纹间相互作用的细观损伤模型、基于弹性损伤本构关系的细观结构模型及Gurson细观损伤模型等几种常用的基于细观损伤的混凝土本构模型的优、缺点进行了比较。最后指出了以后有待进一步研究的问题。     

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟

为了研究混凝土的细观力学性能,利用MATLAB自编程序建立混凝土多边形随机骨料模型,采用最大限定边长和最小限定边长控制多边形骨料生成,并将随机骨料模型导入Comsol软件,建立混凝土细观模型,最后对三级配混凝土轴拉破坏进行数值模拟分析。分析结果表明,该混凝土细观模型算法合理可靠、简单易行,数值计算结果与宏观混凝土轴拉试验结果相符。可为混凝土的非线性有限元分析及力学性能试验改进提供理论依据。     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在三维情形下,基于参数曲面的自由变形技术,将混凝土骨料及黏结界面,用确定的、形式统一的参数方程予以表示,建立了混凝土随机参数化骨料数学模型;以骨料为卵石的混凝土为例,给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样,提出了用参数映射法对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与黏结界面组成的三维三相复合结构形式,为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能打下了基础。     

混凝土破裂过程三维数值模拟及CT验证

将混凝土简化成由骨料、水泥砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料，建立了混凝土骨料随机分布三维模型，用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分，基于弹性损伤本构关系采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算，并从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果，发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性，说明用本文建立的三维数值模型模拟混凝土材料的损伤破坏过程是基本可行的。     

大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟

并发多尺度区域分解法应用于复合材料力学性能的多尺度数值试验研究,可在同一有限元模型中分别实现对损伤子区域的高精度细观网格剖分和对线弹性子区域的高效率宏观网格剖分。采用随机骨料模型模拟大坝混凝土细观结构,再结合并发多尺度区域分解法,建立了大坝混凝土的并发多尺度区域分解有限元模型;然后,将模型应用于全级配随机凹凸型骨料试件的楔入劈拉试验数值模拟。计算结果表明:(1)该模型能够重现大坝混凝土楔入劈拉试件的跨尺度破坏过程,计算所得的P_h-CMOD曲线以及宏观裂缝区扩展模式均与已有文献的物理试验结果相符;(2)模型的最终计算规模仅为全细观尺度有限元模型计算规模的43.18%。数值试验模拟结果与物理试验所得结果的一致性说明模型合理,此外,计算规模的减小使得模型的计算效率得到了显著提升。     

混凝土受压性能的均质细观数值模拟

将混凝土看作由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料，在细观层次上建立了均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型，分别赋予细观单元弹脆性和弹塑性本构关系，研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程，分析了宏观应力应变曲线的差异，并将计算结果与试验结果做了比较。结果表明：混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的；界面相是混凝土材料内部最薄弱的地方；砂浆单元采用弹塑性本构关系时所得混凝土棱柱体受压的宏观应力－应变全曲线与试验结果吻合较好。     

含缺陷混凝土的弹性模量预测

提出一种新的预测含缺陷混凝土弹性模量的估算方法。将混凝土看作是由砂浆、骨料、界面和缺陷(包括圆形孔隙和币状裂隙)等组成的四相复合材料,建立随机骨料数值模型,运用细观力学数值均匀化方法预测混凝土的有效弹性模量,并与无缺陷情况下的计算结果以及试验结果进行对比,在此基础上进行各影响参数的敏感性分析。结果表明,缺陷的存在会减小混凝土的有效弹性模量;混凝土的有效弹性模量随着骨料或砂浆弹性模量的增大而增大;界面特性参数和骨料最大粒径对混凝土有效弹性模量的影响有限;任意多边形骨料模型比圆形骨料模型对混凝土有效弹性模量的预测更接近试验值。     

基于细观层次的混凝土随机骨料建模

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、砂浆和二者之间的界面层构成的三相复合材料,而界面层是混凝土的最薄弱环节,也是混凝土抗拉强度低的主要原因。基于MATLAB软件生成圆形、多边形和椭圆形3种随机骨料模型,并生成一定厚度的骨料界面层,结合有限元软件ABAQUS划分界面层单元,建立二维混凝土细观数值模型。通过算例表明骨料投放算法简单,模型真实可靠。通过引入界面层并对其进行网格剖分,对多边形骨料模型进行单轴拉伸试验,得到的应力-应变曲线基本符合宏观混凝土单轴拉伸试验结果,为后续研究混凝土的损伤断裂机理提供了数值模拟基础,并且有效地解决了MATLAB,AUTOCAD和有限元软件之间的接口问题。数字模拟生成的多边形骨料分布情况占有率与真实骨料最接近,可用作混凝土的损伤断裂机理分析。