基于弹脆性损伤的混凝土井壁破裂细观数值模拟研究

摘要

为研究混凝土井壁破裂过程和特征,建立井壁细观结构与宏观力学性能的联系,本文采用细观数值方法基于随机骨料随机参数模型建立了混凝土井壁细观数值模型,仿真模拟了混凝土井壁在围压荷载作用下的破裂过程。
　　首先,采用基于弹性损伤本构关系的随机骨料模型,假定材料力学参数满足正态分布,建立了骨料形状、尺寸和颗粒分布均与真实混凝土相似的二维和三维混凝土细观数值试件。编制耦合损伤的有限元分析程序,实现了对混凝土细观数值试件在典型荷载作用下的损伤断裂过程的模拟,验证了该模型模拟断裂过程的适用性和控制参数选择的合理性。并通过试算拟合的方法获得强度等级C40的混凝土细观单元材料力学参数。
　　其次,建立了混凝土井壁细观数值模型,采用试算得到的材料力学参数,对混凝土井壁在围压荷载作用下的破裂过程进行了仿真模拟,得出C40混凝土井壁损伤破裂过程和宏观力学特性。结果表明,井壁最先在井壁内缘附近区域的界面过渡区开裂形成粘结裂纹,粘结裂纹主要沿径向向内、外缘同时扩展,先扩展到内缘造成开裂。当裂纹沿径向扩展超过中部后,此时数值井壁达到了极限承载力。当裂纹沿径向扩展到外缘时井壁完全破裂,最终破坏形态是由内向外的斜向贯穿裂纹。强度等级为C40的二维数值井壁仿真模拟得到的极限承载力为6.1MPa,正常使用极限荷载为4.0MPa。三维数值井壁仿真模拟得到的极限承载力为5.9MPa,正常使用极限荷载为4.3MPa。
　　最后,对细观单元材料力学参数和损伤本构关系参数等进行了单因素循环数值试验,试验结果表明:提高界面单元、砂浆单元的抗拉强度能够显著提高数值井壁的极限承载力;提高材料变异系数则会导致数值井壁极限承载力降低。对二维数值井壁三相细观结构在围压荷载作用下的结构响应进行了分析,结果表明在围压荷载作用下,井壁内缘附近区域三相细观单元所承受环向压应力远大于径向压应力,使得细观单元产生了明显的径向拉伸应变,并承受较大的剪切作用,造成井壁内缘的细观单元更易发生拉伸破坏或剪切破坏。
　　研究表明,本文建立的混凝土井壁细观数值模型能够有效模拟井壁破裂过程中的裂纹萌生、扩展,为研究井壁破裂问题提供了一种新的手段。

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变量注释表

1绪论

1.1研究背景和意义（Research Background and Significance）

1.2混凝土细观力学研究综述(Review ofConcreteMesoscopicMechanics Research)

1.3研究内容与技术路线(Research Contents and Technical Routes)

2基于损伤本构的混凝土随机骨料模型

2.1基本思路（Basic Framework）

2.2随机骨料模型的生成(GenerationMethodof Random Aggregate Model)

2.3随机骨料模型的网格划分(MeshGeneration of Random Aggregate Model)

2.4混凝土损伤本构模型及破坏准则(Failure Criterion and Damage Constitutive LawModelof Concrete)

2.5耦合损伤的有限元分析(FiniteElementAnalysisCoupled withDamage Constitutive Equation)

2.6细观单元材料力学参数(Mechanical Parameters of Mesoscopic Elements)

2.7本章小节(Summary of Chapter)

3混凝土试件细观数值模拟

3.1二维混凝土试件单轴压缩过程的数值模拟(2-DMesoscopic Numerical Simulation of Concrete Test CubeUnderUniaxialCompression)

3.2二维混凝土试件单轴拉伸过程的数值模拟(2-D Mesoscopic Numerical Simulation of Concrete Test CubeUnderUniaxialTension)

3.3单骨料混凝土细观模型分析(Mesoscopic NumericalAnalysisofSingle Aggregate Concrete Model)

3.4三维混凝土试件单轴压缩过程的数值模拟(3-D Mesoscopic Numerical Simulation of Concrete Test CubeUnderUniaxialCompression)

3.5三维混凝土试件单轴拉伸过程的数值模拟(3-D Mesoscopic Numerical Simulation of Concrete Test Cube Under UniaxialTension)

3.6本章小节(Summary of Chapter)

4混凝土井壁细观数值模拟

4.1混凝土井壁二维细观数值模拟(2-D MesoscopicNumerical Simulation of Concrete Shaft Lining)

4.2混凝土井壁三维细观数值模拟(3-D Mesoscopic Numerical Simulation of Concrete Shaft Lining)

4.3本章小结(Summary of Chapter)

5主要结论和展望

5.1主要结论(Main Conclutions)

5.2展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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