基于随机骨料模型的混凝土细观损伤与宏观强度研究

摘要

混凝土是工程中广泛使用的一种建筑材料。其力学特性的研究对充分发挥材料的强度，提高设计水平和降低工程造价具有十分重要的意义。科研及技术人员采用不同的试验设备和试验手段对混凝土的力学特性进行了大量的试验。近20年来，随着高速度、大容量计算机的出现以及有限元法等计算技术的迅速发展，传统的试验方法及设计分析方法面临着挑战。研究人员基于不同的试验模型，采用不同的数值计算方法进行了数值实验。数值实验可以克服普通实验室试验的一些不足，有利于解释实验中发生的各种现象，并为改进试验设计提供数值分析基础。此项研究工作是目前混凝土材料研究领域的重要发展趋势之一，细观力学的研究已经在混凝土的微观结构和宏观力学特性之间架起了一座桥梁。 本文采用随机骨料模型和双折线损伤模型相结合，在细观层次上对混凝土在单轴荷载作用下的力学特性和破坏机理进行了数值研究。并对混凝土的强度尺寸效应和材料参数的影响进行了数值计算与分析研究。论文从混凝土的内部结构入手，认为它是由粗骨料、水泥砂浆基体和界面粘结带组成的非均匀质的复合材料。由Walraven公式确定各级骨料颗粒，并用蒙特卡罗法，在平面上随机确定骨料的位置和数量，生成随机骨料结构，然后再将其剖分为有限元网格。利用电算程序将不同的材料特性分配给相应的单元，即形成了数值试验所用的“试件”。最后采用本人自编的有限元程序计算在逐级加载条件下混凝土内部单元的应力与应变，采用双折线损伤模型判别单元的损伤及破坏情况并行逐次迭代计算，直至计算出混凝土的宏观强度和裂纹扩展结果。 本论文提出将计算所得双折线损伤模型中损伤单元、残余强度单元和最终破坏单元的个数的稳定性作为迭代过程中的位移收敛条件，程序计算中对不同性质的单元采用不同颜色的方法，从而可以在计算过程中同步显示试件中单元的损伤程度和裂纹扩展过程。论文将数值实验结果与试验成果进行了对比分析。 本论文主要做了以下几个方面的工作：(1)阐述了混凝土的一般特性及进行混凝土细观研究的必要性。 (2)分析研究了混凝土的细观损伤破坏理论，以及混凝土的变形和破坏的规律。 (3)对混凝土骨料分布的随机特性及Fuller曲线的适用性进行了验证和研究。 (4)借助于Walraven公式确定了试件剖面内各级骨料的颗粒数，利用蒙特卡罗法生成了混凝土随机骨料分布模型，然后通过专用电算程序对混凝土随机骨料模型进行了有限元网格自动剖分和材料性能的分配，并最后生成了数值计算混凝土试件。 (5)独立编制了混凝土损伤分析有限元程序，及前处理和后处理程序。 (6)采用自编的有限元程序对三种不同尺寸的常规混凝土试件进行了单轴抗拉强度和单轴抗压强度数值实验，将实验成果与试验结果进行了比较。并探讨了试件尺寸及材料参数对试件抗拉强度和抗压强度的影响，研究损伤分布规律和裂纹扩展分布规律。 通过本论文的研究工作，得到以下几点结论：(1)论文工作表明，采用基于随机骨料模型的损伤有限元分析方法，对混凝土的单轴强度进行数值实验，其计算结果与试验结果基本吻合，说明本文模型及方法是可行的， (2)随机骨料模型可以模拟混凝土细观结构的非均质性，可以能模拟裂纹的开展过程，是一种研究混凝土细微损伤断裂的有效工具。 (3)在随机骨料模型中，代表骨料、砂浆和粘结带的力学参数非常重要，其确切值应由参数研究及试验测量结果比较来确定，本论文仅是对混凝土材料的破坏过程及宏观强度在细观层次上进行了一些探索性工作，今后将在数值模拟结果与试验结果的对比分析、材料参数的取值、计算方法等方面作进一步的研究和分析，以使该方法不断完善。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1混凝土细观力学研究方法

1.2混凝土细观力学研究进展及成果

1.2.1混凝土细观力学的研究背景

1.2.2混凝土细观力学的试验研究

1.2.3细观力学数值模拟研究

1.3各种模型存在的不足和有待深入研究的问题

1.4本文主要研究内容

第2章混凝土破坏机理

2.1混凝土损伤断裂分析

2.1.1混凝土破坏机理的基本观点

2.1.2 混凝土损伤断裂力学分析方法

2.1.3混凝土损伤破坏机理

2.2混凝土力学性能

2.2.1单轴混凝土力学性能

第3章混凝土随机骨料分布理论

3.1混凝土骨料粒径分布的研究

3.2蒙特卡罗法

3.3随机骨料分布模型

3.4混凝土随机骨料分布模型的有限元网格自动剖分方法

3.4.1 Voronoi图

3.4.2平面Delaunay三角剖分

3.4.3规则三角形网格自动剖分方法

3.4.4材料性能的计算机识别

第4章双折线损伤模型及有限元程序介绍

4.1双折线损伤模型

4.2有限元程序介绍

4.2.1骨料颗数计算程序

4.2.2随机骨料分布生成程序

4.2.3网格剖分及单元属性识别程序

4.2.4有限元计算程序

4.3分级加载中的加载原则

本章小节

第5章混凝土单轴抗拉强度的数值研究

5.1单轴受拉荷载作用下的混凝土力性能研究

5.1.1混凝土数值实验模型生成

5.1.2混凝土单轴抗拉强度力学性能研究

5.2裂缝扩展分析

5.2.1损伤单元分布规律分析

5.2.2裂纹扩展规律分析

5.3混凝土单轴抗拉强度的尺寸效应研究

5.3.1250mm×250mm立方体试件单轴抗拉强度的计算

5.3.2 450mm×450mm 立方体试件单轴抗拉强度的计算

5.3.3模拟计算成果分析

5.3.4随机骨料分布对抗拉强度的影响

5.4材料参数对抗拉强度的影响

5.4.1砂浆体抗拉强度对混凝土抗拉强度的影响

5.4.2粘结带抗拉强度对混凝土抗拉强度的影响

本章小结

第6章混凝土单轴受压作用下力学性能研究

6.1单轴受压荷载作用下的混凝土力性能研究

6.1.1混凝土数值实验模型生成

6.1.2混凝土单轴抗压强度力学性能研究

6.2裂纹扩展分析

6.2.1损伤分布规律分析

6.2.2裂纹扩展规律分析

6 3混凝土单轴抗压强度的尺寸效应研究

6.3.1 250mm×250mm立方体试件单轴抗压强度计算

6.3.2 450mm×450mm立方体试件单轴抗拉强度的计算

6.3.3 模拟计算成果分析

6.3.4随机骨料分布对抗拉强度的影响

6.4材料参数对抗压强度的影响

6.4.1砂浆体抗拉强度对混凝土抗拉强度的影响

6.4.2粘结带抗拉强度对混凝土抗拉强度的影响

本章小结

结论与展望

参考文献

致谢