混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究

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1、第25卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．25NO．42008年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．20o8混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究孙超，邬翔，周勇，李杰(同济大学土木工程学院，上海200092)摘要：从细观力学层次出发，把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料，通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件，然后对每一相材料分别赋以服从Weibul1分布的随机力学参数(弹模、强度和泊松比等)并规定相

2、应的破坏准则，将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示，本文提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力一应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。关键词：细观力学；数值试件；随机损伤；本构关系中图分类号：TU528．01文献标示码：A文章编号：1672—7037(2008)04—0276—04混凝土是一种非均匀的多相复合材料，其受的细观本构来模拟混凝土的宏观力学性能。力特性表现出明显的非线性与随机性。研究和把握这种力学性态对分析结构的响应具有至关重要1细观数值模型的作用。理论上，可以从

3、三个尺度出发研究混凝土的力学特性uJ：微观层次(原子、分子量级)、1．1细观数值试件细观层次(10～mm一10mm量级)和宏观层次(大获得一个混凝土数值试件，关键是确定骨料于10mm量级)。从工程意义上，以细观研究和的位置和尺寸。本文通过随机投骨料的方法得到宏观研究为主。数值试件[9,101，见图1。混凝土的断裂过程是一个其内部随机分布微裂纹的萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂纹而最终断裂的过程。因此，在细观层次上的研究最有可能把握混凝土受荷破坏过程，从而揭示其破坏的特征和机制，也为防止这种断裂的发展提供理论基础。近年来国内外在这方面的研究，依据其发展图1随机投骨料法生成的

4、骨料分布图脉络大体可以分为：网格模型(LatticeMode1)【2_5J；根据已有研究结果【l¨，模型中各相的细观力粒子模型(ParticleMode1)I6J；梁一颗粒模型(B．P学参数(弹性模量、强度和泊松比等)皆采用Mode1)【；多尺度混合模型(M—DMode1)【8J等Weibul1分布。等。这些模型大多假定混凝土是由骨料、砂浆基1．2细观单元的本构关系质和两者之间的界面层组成，通过细观层次上较数值试验模拟混凝土破坏的关键在于如何选为简单的本构关系来模拟宏观层次上复杂的断裂择细观单元的本构关系以及破坏准则。本文采用过程和力学表现。本文模型的出发点与之类似，混

5、凝土三相介质即骨料、砂浆、及界面层来模拟但假定混凝土细观单元在受荷作用时不仅产生损混凝土。伤，同时伴随塑性变形，通过引入具有随机损伤事实上，混凝土内存在大量的初始微裂纹和收稿日期：2008．04—30作者简介：孙超(1983一)，男，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向为混凝土数值仿真，scsuper@163．com。基金项目：国家自然科学基金委创新研究群体科学基金(50621062)；国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目(90715033)。·278·华中科技大学学报(城市科学版)2008笠譬，s∞0B∽2．2单压数值试验参考文献采用位移控制加载。图7给出了数值试件和

6、实体试件受压最终破坏模式的对比，两者具有相【1]WittmannFH．StructureofConcretewithRespectto似性。CrackFormation[C]／／WittmannFH．StructureofConcretewithRespecttoCrackFormation．Netherlands：ElsevierSciencePublishers，1989：43—74．[2】SchlangenE，VanMierJGM．LatticeModelforSimulmingFractureofConcrete[C]／／NumericalModelsinFra

7、ctureMechanicsofConcreteMechanicsofConcrete．1993．图7单压数值试验中裂纹开展[3】SchlangenE．GarbocziEJ．FractureSimulationsof把数值试验所得应力应变曲线与真实试验全ConcreteUsingLatticeModel：Computational曲线进行对比，见图8。Aspects[J]．EngineeringFractureMechanics，1997，57(2—3)：319—332．【4】VanMierJGM，VervuurtA，VanVlietMR