混凝土断裂损伤细观数值模拟研究进展

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1、混凝土断裂损伤细观数值模拟研究进展秦皇岛金茂建设工程有限公司河北秦皇岛066004摘要：对格构模型、随机粒子模型、随机骨料模型及随机力学特性模型进行了分析，在综述混凝土细观力学性能硏究工作的基础上，针对模拟混凝土断裂损伤的细观模型存在的不足，提出进一步的改善措施。关键词：混凝土；细观分析；数值模拟；模型引言：混凝土作为主要的建筑材料己有百余年的历史，它被广泛应用于水利工程、土木工程和采矿工程等众多领域。国内外学者对混凝土做了大量的研究，这些研究多是建立在实验的基础之上。混凝土实验需耗费大量的人力物力财力，由于实验条件，所处环境，人员因素以及材料木身的复杂性，所得结果往往具有离散

2、性，难以反映混凝土真实的力学性能指标。WittmannFH［l］和ZaitsevYV［2-3］把混凝土看作非均质复合材料，在细观层次上研究了混凝土的结构、力学特性和裂缝扩展过程。随着计算机处理能力的提高和断裂力学理论的成熟，数值模拟方法己经取得了长足的进步，基于正确的力学模型，细观数值模拟可以避免试验条件的限制和人为因素的影响，降低试验结果的偶然性和离散性，不但可以直观反映出混凝土的细观损伤程度与裂缝扩展情形，而忖也能通过对细观参数进行敏感性分析，得到各种细观参数对其极限承载能力的作用。因此数值模拟从一定程度上能代替传统的试验方法，利用数值模拟方法对混凝土材料的静、动力学性能进

3、行研究具有重大的意义［4］。1.混凝土细观力学数值模型研究现状与混凝土力学宏观性能研究相比，混凝土的细观力学的研究起步较晚,是近二三十年才发展起来的研究方向。在1984年国际理论与应用力学学会召开的哥木哈根大会上，细观力学被确定为“理论与应用力学中振奋人心的新领域之一”。随后Zaitsev和Wittmann把混凝土看做非均质复合材料，在细观层次上分析了混凝土的结构与力学特性和裂缝的扩展过程，RoelfstraPE首次将细观的概念引入到混凝土力学性能的研究当中，在细观层次上将混凝土看作是由骨料、水泥砂浆及其交界面组成的复合材料，各组分对混凝土的力学性能都有着直接的影响。围绕这一思

4、想很多学者都提出并建立了各种细观力学计算模型，并取得了很多成果。混凝土断裂损伤的细观模型，最具典型的有格构模型(Latticemodel).随机粒了模型(Randomparticlemodel)、随机骨料模型(Randomaggregatemodel)及唐春安⑸等人提出的随机力学特性模型等。除了以上几种模型，还有很多学者也进行了大量的研究工作，建立了不同的计算模型，如美国西北大学Bnaazt教授⑹于1955年提出的微平面模型(MicroPlnaeModel),大连理工大学的王宝庭，宋玉普［7］提岀的刚体一弹簧模型(RigidBodySpringModel)等。以上的这几种模型都

5、是通过假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结带组成的三相复合材料，基本上都是用细观层次上的一些简单的本构关系来模拟比较复杂的宏观断裂过程。2.典型的细观模型2.1格构模型格构模型思想产生于50多年前，当吋由于缺乏足够的数值计算能力，仅仅只是出现在理论分析方面。直到20世纪80年代后期，此格构模型才被应用于非均质材料的破坏过程模拟。之来，国外众多学者陆续开始应用此模型进行实验研究。VanMier等人⑻使用该模型模拟了单轴拉伸、联合拉剪、单轴压缩等多个力学试验;而schinagne等人⑼将格构模型首次应用于混凝土的断裂破坏研究,模拟出了混凝土材料以及其它非均质材料的开裂面的贯通过

6、程，并依此分析出了其破坏机理。在国内，杨强［10］等学者采用格构模型模拟岩石的开裂及破坏过程。研究结果表明，结合格构模型模拟的实验过程，如果按照某种特定的分布规律去掉一些不必要的结构单元，就可以比较准确的用来模拟材料的各种初始缺陷，采用格构模型来模拟由拉伸作用而破坏引起的断裂过程是非常有效的一种方法，同时还发现该模型可较好的考虑材料参数分布的随机性问题，但是，当使用该模型用于模拟混凝土在压缩荷载（包括单轴压缩和多轴压缩）作用下的宏观现象、规律吋，试验模拟结果不够理想。2.2随机粒子模型在20世纪90年代早期，就有国外研究者［12］提出了种被称为随机粒子模型的试验模型，该模型主要

7、被应用于模拟固体颗粒材料的一些力学过程。随机粒子模型考虑粒子分布的随机性，将试验材料假设为一些粒径不同且在空间随机分布的圆形颗粒，用来模拟混凝土的骨料分布，可是忽略了相邻的颗粒之间有接触层作用力的影响。由于这些假设粒子被随机地分布在基体中，基体也就被认为是弹性体。但是，早期的随机粒子模型还存在一些不足和问题需要解决。比如，由于该模型只是简单地假定骨料为圆形，条件过于简单，不适合用来模拟级配良好、粒径随机的混凝土骨料。所以，有些研究者基于相关理论及研究方法改善了随机粒子模型，他们认为基体本身就