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<正>媒体重头文章概览《土木建筑与环境工程》06/2012用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏从非连续介质力学角度出发,提出了一种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明:与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

一种考虑裂缝扩展路径的混凝土细观数值模拟方法

文章提出一种能够考虑混凝土裂缝扩展过程中绕过骨料或穿过骨料发展的细观数值模拟方法。首先,回顾了用于类混凝土材料I-型断裂分析的自洽有限应力模型的基本原理;进而,采用有限元分析方法,从局部能量等效和宏观力学等效两个维度验证了基于自洽有限应力原理建模和常规建模之间的等效性;最终,发展了基于自洽有限应力原理和细观裂缝扩展路径准则的数值模拟方法,在细观尺度上实现模拟混凝土裂缝绕过骨料发展和穿过骨料发展等细观断裂破坏行为。文章研究成果可为后续发展基于细观尺度断裂破坏准则的高效数值分析方法奠定基础。     

混凝土弯曲拉伸力学性能及尺寸效应细观数值研究

为反应骨料颗粒细观组分对混凝土弯曲拉伸宏观力学行为的影响,建立混凝土随机骨料细观尺度力学模型,细观组分材料采用塑性损伤和线弹性本构关系,开展混凝土弯曲拉伸细观尺度数值模拟,探讨骨料颗粒的影响机理,并与混凝土弯曲拉伸试验进行对比。研究显示：（1）混凝土细观数值模型能较好地模拟混凝土在弯曲拉伸荷载下的宏观力学行为。（2）弯曲拉伸损伤从模型底部薄弱的界面过渡区形成,并向砂浆基质延伸。骨料粒径越大,损伤路径相对越曲折。（3）随着骨料粒径的减小,混凝土弯曲抗拉强度略有提高,尺寸效应现象更为显著。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

混凝土I-型细观断裂模型及其在材料层次#br# 尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I 型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明：当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

混凝土Ⅰ-型细观断裂模型及其在材料层次尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I-型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明:当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

混凝土损伤演化的随机力学参数细观数值影响分析

在提出一种交叠骨料微步长迭代自动调整算法的基础上,采用任意凹凸型骨料配置算法建立混凝土细观数值试件。基于细观单元的弹性损伤本构关系,采用位移控制模式,着重针对两类常用的力学参数随机分布——Weibull及对数正态分布,进行了不同力学参数的常规混凝土拉压数值模型破坏试验,分析了主要力学参数的随机分布对混凝土试件宏观表征力学性质的影响。该研究可为混凝土细观数值模型中力学参数的合理确定提供依据。     

单轴拉压状态下混凝土破坏的细观数值演化分析

在提出可同时满足级配曲线及指定骨料填充率的任意凹凸形骨料配置算法的基础上,建立了混凝土试件的细观随机骨料模型,并建立了空间应力环境下细观单元的弹性损伤本构关系;分别就工程中常采用的两种不同的混凝土强度,研究了混凝土试件的细观损伤演化过程及细观单元力学参数取值对混凝土试件宏观表征强度的影响。数值算例验证了模型的有效性,并揭示出混凝土试件破坏主要是由细观单元的拉伸损伤积累所导致的。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟

在细观力学基础上将损伤力学和计算力学相结合来分析混凝土试件的变形、损伤和破坏过程。把混凝土简化成由骨料、砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,在已建立的混凝土骨料随机分布三维模型基础上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。进而通过损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行研究。     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

角部钢筋锈蚀引发混凝土保护层开裂行为研究

为研究角部钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层开裂行为,提出了角部钢筋的非均匀锈胀模式.并将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土细观随机骨料模型.以施加非均匀径向位移方式来表征钢筋锈胀对周围混凝土的力学作用.基于该方法对钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观数值模拟,模拟结果与已有文献中试验结果的良好吻合验证了该方法的合理性.另外,对比了宏观均质模型和细观非均质模型下不同角部钢筋锈胀模式导致的混凝土保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式以及钢筋锈胀压力的影响规律.     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

基于真实细观模型的再生混凝土破坏数值研究

在细观层次上视再生混凝土为非均匀六相复合材料,综合数字图像处理技术、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成方法,提出了再生混凝土的细观有限元分析方法.根据再生混凝土各相材料的力学特性,利用自动动态增量非线性分析软件对单轴拉伸、单轴压缩作用下再生混凝土试件的细观损伤过程及宏观力学性能进行了模拟分析.在验证了所建立再生混凝土真实细观模型合理性的基础上,通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和新老硬化砂浆的力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响.结果表明:真实骨料细观模型能更真实地模拟再生混凝土在荷载作用下的损伤破坏过程,其模拟结果与试验结果吻合较好;天然骨料力学特性对再生混凝土的破坏过程和破损路径有较大影响,天然骨料弹性模量越大,应力集中现象越明显;再生混凝土强度随新砂浆强度增大而增大,老砂浆力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响弱于新砂浆;再生混凝土的界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象.     

压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟

将外荷载作用的影响等效为外荷载引起的混凝土孔隙率的改变,来研究其对混凝土中氯离子扩散特性的影响,提出了压缩荷载作用下非均质混凝土氯离子扩散行为的细观模型.首先对混凝土在压缩荷载作用下的力学行为进行模拟分析;然后,将荷载作用后的"结果输出"作为氯离子扩散模拟的"初始输入"条件,以单轴压缩荷载为例,将混凝土看作由骨料、水泥浆体基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土在力学与物理耦合作用下的细观模型,研究了压缩荷载对混凝土中氯离子扩散特性的影响,得到了氯离子有效扩散系数与压缩应力水平之间的关系式,揭示了压缩应力水平的影响规律.     

钢纤维混凝土细观结构数值模拟自动生成技术——多边形骨料生成与有限元网格的剖分

针对钢纤维砼细观模拟中的两大难点问题，即多边形骨料的随机分布与重叠性判断及有限元网格的自动剖分进行了阐述，给出了部分模拟实例．     

沥青路面多尺度结构的荷载响应分析

为了从材料细观结构角度研究沥青路面结构的荷载响应,采用离散元方法,建立了柔性基层沥青路面典型结构模型,并进行了竖向荷载作用下沥青混凝土层应力和应变的计算,通过与经典路面响应程序计算结果的比较,验证了路面结构离散元模型和离散元计算方法的正确性.以验证过的路面结构模型为基础,采用较小的细观尺度描述了沥青混凝土结构层底部位置处粗集料、沥青砂浆和空隙的分布和体积大小,从而建立了路面结构的多尺度模型,并计算了荷载作用下多尺度模型的响应.结果表明,荷载引起的路面结构应力和应变在沥青混凝土内呈现显著的不均匀分布特征;粗集料与砂浆接触处的应力明显高于沥青砂浆内部的应力,两者的比值随着沥青砂浆模量的降低而增大;考虑材料细观结构后,粗集料与砂浆接触处的荷载响应明显高于宏观路面结构响应,而沥青砂浆内部的荷载应力小于不考虑细观结构时的宏观路面结构应力.     

混凝土材料的细观结构数值模拟与性能分析

在细观上将混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆和界面三相介质组成的复合材料,根据体视学原理并应用蒙特卡洛方法模拟出混凝土的二维圆形骨料分布;应用理论公式计算出界面厚度,并将界面看作是包围在骨料外面的一层圆环,在细观上模拟生成混凝土的三相组成;基于骨料随机模型,应用有限单元法提出了混凝土稳态氯离子扩散系数的计算方法并与试验结果进行了对比。结果表明,该模型用于计算混凝土稳定氯离子扩散系数是有效的。     

基于ANSYS的混凝土有效弹性模量模拟分析

在细观层次上将混凝土看作由骨料和砂浆组成的二相复合材料,应用通用有限元软件ANSYS对混凝土的有效模量进行了模拟,并将稀疏分布、自洽方法、Mori-Tanaka方法等细观力学方法预测结果与有限元数值试验得到的结果进行比较,对这些细观力学方法预测精度及其变化规律进行了讨论,对混凝土材料性能的研究具有重要意义。     

混凝土细观分析的研究现状

介绍了混凝土细观力学分析方法,即混凝土数值模拟和CT试验研究,数值模拟详细分析讨论了随机骨料模型、格构模型、随机力学特性模型、统计细观损伤力学模型、离散元模型等5种细观力学数值模型的特点以及高性能并行计算作用及实现.考虑到国内医用CT试验只能进行一级配混凝土试件拉、压破坏试验,对二级配混凝土只能进行拉伸破坏试验,因此对多级配混凝土进行细观分析.必须与工业CT结合,将可以完成拉伸、压缩、动力试验,为混凝土的细观研究提供了另一条路径.