混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，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，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

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。     

预静载作用下混凝土梁的动弯拉强度

动弯拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。有关试验发现一定预静载水平对混凝土动弯拉强度有强化作用，因此，对这一试验现象的探究具有工程应用价值。本文基于混凝土细观力学方法，对湿筛和全级配混凝土梁进行三分点冲击弯拉数值模拟，试图在不同随机骨料模型和不同静预载作用下寻求混凝土梁动弯拉强度的变化规律。计算结果显示，不同细观骨料模型具有相似的规律，即随预静载增大，混凝土动弯拉强度上升，至一定峰值后回归到静载强度。取跨中不同细观区域宽度和具有不同变异性的细观界面单元材料参数，对梁进行三分点弯拉数值模拟发现，动弯拉强度受混凝土细观结构不均匀性的影响，不均匀性越强动载增强系数越大。     

混凝土劈裂抗拉力学性能的细观数值研究

采用随机骨料模型模拟混凝土的细观结构,在细观层次上将混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料。利用有限元方法数值模拟混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉,并对其劈裂抗拉破坏进行了研究。结果表明:骨料与砂浆的界面是混凝土劈裂抗拉破坏的薄弱环节,所采用的数值模拟计算方法基本可行。     

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。     

全级配混凝土单轴疲劳特性细观数值模拟

为研究全级配混凝土在等幅、变幅及阶梯重复荷载作用下的疲劳特性,揭示材料特性与疲劳应力水平对其疲劳寿命的影响规律,通过自编程序建立二维随机骨料模型,运用有限元软件和耐久性疲劳分析软件进行联合仿真,对全级配混凝土细观结构进行应力分析和疲劳分析,探讨了不同骨料分布、骨料形状及疲劳应力水平对混凝土疲劳性能的影响,并估算了疲劳寿命。结果表明:在阶梯重复荷载作用下,骨料形状和分布对混凝土疲劳寿命影响较小,而疲劳应力水平对疲劳寿命影响较大;圆形和椭圆形骨料混凝土疲劳寿命较高,多边形骨料寿命较低;在疲劳加载破坏过程中,骨料界面先起裂,然后裂纹逐渐扩展贯通,最后导致整个试件完全破坏,可见骨料界面是混凝土中的薄弱部位,其寿命直接影响整个混凝土试件的寿命。研究成果为后续混凝土疲劳性能研究提供了参考。     

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。     

均质混凝土受压性能的细观数值模拟

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比较接近。     

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。     

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。     

混凝土随机参数化骨料模型及加载的数值模拟

在细观层次上研究混凝土，一般应将其视为一种由粗骨料、水泥砂浆以及二者间的粘结界面所组成的三相非均质复合材料。为此，在二维情形下，基于参数曲线的自由变形技术，将混凝土骨料及粘结界面的轮廓线用确定的、形式统一的参数方程予以表示，建立了混凝土二维随机参数化骨料数学模型。对骨料为卵石和碎石的混凝土，分别给出了级配、含量、配合比等可控制的随机混凝土数值试样。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与粘结界面组成的二维三相复合结构形式。最后，使用MATLAB、AutoCAD和ANSYS软件建立了有限元网格模型，并进行了数值加载试验。结果表明，该方法可较好地满足混凝土动静力学性能细观数值分析的要求。     

Numerical simulation of seismic damage and cracking of concrete slabs of high concrete face rockfill dams

Based on the damage constitutive model for concrete, the Weibull distribution function was used to characterize the random distribution of the mechanical properties of materials by finely subdividing concrete slab elements, and a concrete random mesoscopic damage model was established. The seismic response of a 100-m high concrete face rockfill dam(CFRD), subjected to ground motion with different intensities, was simulated with the three-dimensional finite element method(FEM), with emphasis on exploration of damage and the cracking process of concrete slabs during earthquakes as well as analysis of dynamic damage and cracking characteristics during strong earthquakes. The calculated results show that the number of damaged and cracking elements on concrete slabs grows with the duration of earthquakes. With increasing earthquake intensity, the damaged zone and cracking zone on concrete slabs grow wider. During a 7.0-magnitude earthquake, the stress level of concrete slabs is low for the CFRD, and there is almost no damage or slight damage to the slabs. While during a 9.0-magnitude strong earthquake, the percentages of damaged elements and macrocracking elements continuously ascend with the duration of the earthquake, peaking at approximately 26% and 5% at the end of the earthquake, respectively. The concrete random mesoscopic damage model can depict the entire process of sprouting, growing, connecting, and expanding of cracks on a concrete slab during earthquakes.     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在细观层次上，混凝土被认为是由粗骨料、水泥砂浆以及二者间的粘结界面所组成的一种三相非均质复合材料。在三维情形下，基于参数曲面的自由变形技术，将混凝土骨料及粘结界面，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、砂浆与粘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。     

基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。     

面板坝溃决过程模拟计算

籍助物理模型试验，在搞清决口水流参数、面板受力状况、面板溃板特性、机理等的基础上，通过研究，本文提出了面板坝溃决过程的模拟计算方法，并结合沟后面板坝工程条件，进行了溃决过程的计算。把计算取得的各项溃坝数据与沟后的现场调查资料相比，二者相当吻合。     

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。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。