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。     

混凝土碱骨料反应力学性质劣化机理研究

本文建立了混凝土三相介质(骨料、水泥砂浆及其交界面)细观颗粒模型,通过对不同碱骨料反应程度的混凝土试件进行单轴受压数值模拟,得到混凝土刚度退化和宏观损伤因子随碱骨料反应膨胀应变增加而增加的规律。基于细观层面,分析碱骨料反应引起的混凝土内部细观应力分布和细观损伤演化的规律。由数值结果可知,碱骨料反应造成骨料膨胀,在砂浆内产生细观拉应力,一旦超过材料的细观强度即产生微裂缝,使细观拉应力得到释放。这些微裂缝构成了混凝土内部的细观损伤,随着碱骨料反应发展,细观损伤范围不断增加,从而导致碱骨料反应的混凝土力学性质的劣化。     

再生混凝土疲劳损伤机理的数值模拟

基于再生混凝土内部细观结构的数字图像,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型。首先,对弯折疲劳破坏后的再生混凝士弯折疲劳试件进行机械切割并对切割后的表面使用数码相机拍摄,获得截面数字图像。然后,对所获得的数字图像进行处理并对骨料和砂浆部分进行边缘检测,获得骨料和砂浆的边缘坐标,将其导入有限元分析软件,获得实体模型。最后,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型,研究了再生混凝土在疲劳荷载作用下的损伤分布和应力分布的变化规律。     

碾压混凝土单轴抗拉强度尺寸效应的数值模拟

碾压混凝土与混凝土一样也存在着尺寸效应。采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,利用有限元方法数值模拟碾压混凝土试件单轴抗拉的细观损伤断裂,并重点对单轴抗拉强度尺寸效应进行了研究。     

基于CT技术的混凝土细观三维重建研究

将X射线CT技术应用于混凝土材料的研究当中,利用CT试验获得的图像信息,可以准确地了解混凝土这种不均匀材料的内部细观结构,进行细观破损机理分析。运用MATLAB软件,将CT扫描的原始图像信息进行了混凝土细观结构的三维重建研究,同时与基于MIMICS软件的三维重建模型进行了比较。结果表明:所建立的混凝土三维细观模型能够比较真实地反映混凝土材料的内部各相细观结构,并对传统混凝土随机数学模型的不足进行了有益补充,较好地反映了混凝土材料内部的力学性能,为进一步研究混凝土材料的损伤破裂机理提供了基础。更多还原     

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。     

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。     

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。     

碾压混凝土试件抗剪强度尺寸效应的数值模拟

碾压混凝土试件与混凝土试件一样也存在着尺寸效应。笔者采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,利用有限元方法数值模拟碾压混凝土试件受剪的细观损伤断裂,并重点对抗剪强度尺寸效应进行了研究。     

三级配混凝土劈拉强度二维细观数值模拟

为从细观结构上研究混凝土劈裂抗拉强度,通过自编程序建立混凝土细观模型,采用混凝土损伤塑性模型描述细观各相材料的损伤演化。利用有限元技术数值模拟三级配混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉强度,探讨了不同骨料分布、骨料形状、垫条宽度及界面厚度对劈裂抗拉强度的影响。结果表明:不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度略有影响,但数值模拟结果均在试验统计范围内,且与文献资料中给定的试验结果相符。按照现行试验规程选取垫条宽度时,可以有效地缓解加载部位应力集中现象,使劈拉强度接近真实混凝土强度。骨料粘结界面厚度越小,混凝土劈拉极限强度越高。     

基于CT图像处理技术的混凝土损伤演化研究

采用X射线CT技术对单轴受压作用下的混凝土试件进行实时扫描观测,获得了混凝土试件的裂纹开裂、扩展、贯通的全过程图像。运用7种不同的方法分析了混凝土损伤演化全过程。分析结果表明,X射线CT是研究混凝土细观结构的有效方法,可以定性和定量分析混凝土细观结构损伤演化全过程;采用聚类分析算法,避免了由于窗宽和窗位不同引起的人为误差,真实地反映了混凝土细观结构,并较好地识别了粗骨料、砂浆和孔隙;通过差值算法得到的裂纹图像具有较强的直观性,有效地提取了裂纹;利用裂纹区像素点个数的变化代替CT数平均值,可以很好地反映混凝土损伤发展状态,当裂纹迅速扩展时,混凝土裂纹区像素点的个数发生了量级上的变化。     

基于细观力学模型的三级配混凝土立方体试件单轴损伤数值分析

为分析混凝土细观结构在单轴荷载作用下的损伤演化过程,研究混凝土单轴破坏的宏观力学性能,基于细观力学模型,采用Marazs损伤模型描述混凝土内部各相材料的本构关系,通过数值实验分析三级配混凝土立方体试件单轴破坏的宏观力学性能。数值实验结果表明：混凝土试件在单轴荷载作用下的损伤断裂是由于内部的初始损伤不断累积演变的结果,其数值实验的最终破坏形态与宏观层次上的破坏形态基本相似,粗骨料分布、粘结层厚度、粘结层和基体强度对混凝土宏观破坏具有一定的影响,说明该方法对混凝土细观结构破坏机制的分析合理、可靠。     

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。     

基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点，而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程，本文在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上，建立了细观混凝土力学模型，提出一种基于裂纹分形维的损伤变量计算方法，对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究，利用分形维对混凝土开裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明：细观模拟的裂纹形态与试验结果相符；裂纹分形维能够更好地反映混凝土材料损伤的变化过程，可以定量描述材料损伤演化的特性；发现了混凝土从“均匀”损伤至局部破坏的临界点；细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小；随着混凝土试件骨料级配数的增加，骨料颗粒和界面减少，整体耗能降低，应力峰值和裂纹分形维均减小。此外，本文建议应力峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从“均匀”损伤进入局部破坏的临界点，是损伤和断裂的分界点，相应的损伤值约为0.8，该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机理的认识。     

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。     

纤维与混凝土细观界面粘结行为研究进展

混凝土是工程中应用最广泛的建筑材料,但脆性大易开裂,而纤维混凝土(Fibre Reinforced Concrete, FRC)具有高强度、高韧性、高耐久性、抗疲劳性能良好等优点。纤维与混凝土细观界面是FRC极为重要的微结构,决定了FRC的宏观性能和损伤机理。本文综述了纤维与混凝土细观界面粘结性能的文献,分析了纤维(种类、形状、排列方式、直径、表面改性)、基体(组成、强度)、服役环境(龄期、加载速率、海水、高温)等对细观界面粘结性能的影响,介绍了纤维-基体细观界面粘结行为研究的物理实验和数值模拟方法,展望了FRC的纤维-基体细观界面性能领域未来的主要研究方向。     

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。     

岩石细观损伤力学模型研究若干进展

介绍了岩石细观损伤和岩石细观力学的研究方法,综述了国内外岩石细观损伤模型的研究现状,并分类归纳了几种典型的岩石细观损伤模型以及在细观层次上对岩石实验研究的成果,论述了该领域中存在的问题并对其今后的发展方向提出了建议。      

混凝土应变率效应产生机理探讨

混凝土材料在动载作用下存在应变率敏感效应，其产生机理尚待深入研究。本文进行了全级配混凝土试件的细观数值模拟，分析了地震荷载作用下惯性、阻尼以及其它因素对动载增强效应的影响，讨论了所引入率效应强化参数的物理意义，同时分析了静载和动载作用下混凝土裂缝形态、变形滞后效应和损伤滞后效应。通过混凝土细观力学数值试验，分析研究了有关混凝土材料的声发射试验和CT观测成果、Eibl等人的惯性效应理论以及Stefan效应理论，认为在动载作用下混凝土材料变形的滞后性产生了损伤滞后性最终表现为应变率强化效应。