基于细观和宏观尺度混凝土开裂数值试验研究

摘要

随着我国坝工技术不断提高，混凝土坝的建设正在快速发展。为了保证经济效益和人民生命财产安全，对这些大体积混凝土结构的稳定性和开裂风险做出一个科学的评价已成为工程建设过程中必须面对和解决的重要课题。由于混凝土材料的复杂性，通过实验方法无法准确测得大体积混凝土的断裂性能，而通过数值试验研究方法测得混凝土断裂性能是一种有效的方案。 本文从混凝土细观尺度出发，采用蒙特卡罗法并结台Python语言二次开发编写随机骨料程序，基于扩展有限元法探讨了混凝土细观组成界面、砂浆、骨料的材料性能对混凝土宏观力学性能的影响。将细观数值模拟得到的数据引入宏观力学分析中，研究了混凝土三点弯曲梁在不同砂浆强度、不同断裂能、不同尺寸厚度、不同初始裂缝长度和初始裂缝位置不同的情况下损伤化特征和断裂参数。结合Koyna重力坝实例，研究了不同筑坝混凝土的抗拉强度和不同坝体初始裂缝长度对重力坝宏观损伤演化特征和动态特性的影响。得出以下结论： (1)基于扩展有限元法模拟细观尺度混凝土在单轴拉伸荷载作用下开裂全过程，分析混凝土受拉应力应变曲线，研究表明界面、砂浆和骨料参数对混凝上宏观力学性能影响显著。 (2)通过结合线性叠加原理合双K断裂准则对混凝土三点弯曲梁的P-CMOD曲线进行分析，研究表明初始裂缝长度、砂浆强度及混凝土断裂能对混凝土断裂参数影响显著，混凝土尺寸厚度对混凝土断裂参数无影响，初始裂缝的位置对混凝土承载力和裂缝扩展有很大影响。 (3)以Koyna重力坝为工程实例，基于XFEM分析重力坝在受到自重荷载，静水压力、地震荷载以及结合附加质量法的动水压力的情情况下裂缝扩展的全过程，分析重力坝动态响应数据。研究表明筑坝混凝土抗拉强度的提高能很好提高重力坝抗震性能;初始裂缝对混凝土抗震性能弱化效果十分显著，初始裂缝越长，混凝土抗震性能越弱。 本文的研究方法对混凝土断裂性能和断裂参数的测定具有借鉴意义，本文的研究结论对类似工程具有一定的参考价值。

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