基于格构模型的三维多尺度混凝土受拉断裂过程数值模拟

摘要

离子在受损混凝土中运输性能是研究混凝土耐久性的一个关注重点问题。为了方便混凝土受损后氯离子的输运性能进行研究，利用格构模型可以同时模拟断裂和离子传输的特点，本文主要通过建立出混凝土各个尺度下的受拉断裂数值模型，分析混凝土各尺度下断裂过程中的裂缝发展情况。主要研究内容为界面过渡区模型的建立，水泥石，砂浆和混凝土在受拉应变作用下断裂开展情况和承载力峰值研究。利用多尺度方法对水泥石与砂浆以及砂浆与粗骨料之间的界面过渡区进行了分析，得到基于本模型的受力本构，并将其引用到高阶的模型中，作为整个格构模型的主要特点来进行分析。本文结合混凝土数值模型和三维随机格构有限元模型及随机骨料模型对混凝土受拉进行了深入探讨，主要研究内容及成果如下：
　　1）建立不同尺度下的混凝土模型，包括：在微观尺度利用HYMOSTRUC3D构建了基于其水化模型的非均质水泥石格构模型，并从受力方向按角度进行细分的界面过渡区模型，来解决了一般混凝土模型对界面单元仅降低强度的简单处理；在细观尺度利用随机骨料模型为基础构建了引入上一尺度的界面过渡区强度的砂浆格构模型和混凝土格构模型，及加入骨料水泥石比例影响的界面过渡区模型。
　　2）在MATLAB中编程完成随机骨料投放算法，并获取骨料占比为40-45％的球形随机骨料模型，并基于稀疏矩阵和分块矩阵来存储模型信息，完成预处理共轭梯度法算法应用于模型受力计算，构建出可以计算实现的超大型格构体系的有限元分析程序。
　　3）简化格构断裂模型的分析步骤，将普通格构模型杆件逐一断裂来获取应变等参数改为直接施加应变来剔除该步骤下断裂杆件，节省计算时间；得到相应的应变与受力及断裂程度的关系。分析结果上看，以步长为加载步骤的模拟结果较预期偏大但在可接受范围内，随步长越大，计算结果也越大。
　　4）模型模拟了轴向受拉时水泥石、砂浆、混凝土及相应界面过渡区的裂缝发展过程和空间分布，从获取的格构模型断裂图中可以看出，各模型皆经历了微小应变下无断裂开展，弹性阶段微小缺陷开始出现，受力不断增加裂缝逐渐长大，受力峰值过后裂缝迅速开展并连通的过程。特别的，对于界面过渡区模型的断裂展开都基本发生于界面处并表现出向砂浆部分扩展的趋势。

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第1章绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 混凝土模型结构

1.3 混凝土各尺度模型大小

1.4 格构模型

1.5 界面过渡区

1.6 本文的主要研究内容

第2章格构模型断裂分析过程的建立

2.1 引言

2.2 模型刚度矩阵

2.3 边界条件

2.4 断裂准则

2.5 求解过程

2.6 本章小结

第3章混凝土随机格构模型的构建

3.1 引言

3.2 微观几何模型构建

3.3 格构模型建立

3.4 细观几何模型构建

3.5 格构模型建立

3.6 本章小结

第4章不同尺度混凝土断裂过程计算结果分析

4.1 引言

4.2 水泥石

4.3 水泥石与细骨料界面过渡区

4.4 砂浆

4.5 砂浆与粗骨料界面过渡区

4.6 混凝土

4.7 本章小结

结论

参考文献

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