混凝土裂缝扩展模拟研究进展

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1、第24卷第4期水利水电科技进展2004年8月混凝土裂缝扩展模拟研究进展韦未，姚纬明(河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098)摘要：对20世纪60年代以来国内外混凝土裂缝扩展模拟的方法进行了系统总结，简单了介绍各种方法的基本思想，并对目前国外普遍采用的嵌入不连续模型及其派生出来的SOS，KOS和SKON模型进行了详细介绍，分析了不同方法的优缺点．嵌入不连续模型中的SKON模型具有不需要重新剖分网格、计算结果受网格尺寸影响小的优点，因此被认为是现有有限元模拟混凝土裂缝扩展方法中较为实用的方法，并可以推广到岩石及类混凝土材料裂缝扩展模拟的研究

2、中．关键词：混凝土；裂缝扩展；嵌入不连续模型；SOS模型；KOS模型；SKON模型中图分类号：TV543．6文献标识码：A文章编号：1006—7647(2004)04-0053—04进行有限元分析，该方法的缺点是网格的尺寸很小，1混凝土裂缝扩展模拟方法计算量大．朱万成等J采用刚度特性退化和刚度重早在20世纪60年代，就有学者将断裂力学、损建的方法来处理开裂单元，采用MFPA20程序将细观伤力学应用于混凝土的裂缝研究中．在计算机模拟力学与数值计算方法有机地结合起来，并考虑混凝裂缝扩展技术方面，国内外学者也做了很多具体工土的非线性，模拟混凝土裂纹扩

3、展及其破坏过程；孟作，采用了很多新方法，归纳起来，主要可以分为：振虎等u0J应用弹塑性增量理论按Mises屈服准则及a．流形元法⋯．采用石根华博士提出的数值流J2流动理论，用节点位移及松弛方法，对核工业管道形元法，将有限元网格作为数学覆盖，在模拟裂纹扩进行了裂纹扩展有限元模拟．李亚柘ulJ用裂缝体单展过程中数学覆盖不变，即相当于有限元网格不变，元表示混凝土结构的裂缝，通过对开裂单元进行协从而使模拟裂缝扩展的问题变得简单．但流形元法调聚缩，实现裂缝扩展自动追踪分析．在确定物理及数学覆盖时很繁琐，不易操作．f．自适应有限元法．杨庆生等【12J基于自

4、适应有b．边界元法L2．3J．边界元法只需在边界上及裂缝限元方法，利用节点力释放技术生成新的裂纹自由表面布置节点，避免了网格重新剖分，但边界元法在表面，发展了一种可随裂尖连续移动的网格动态加处理多介质问题、复杂非线性问题方面显得很困难．密和释放技术；然而，用自适应有限元网格计算的代c．分形几何法L4J．虽然分形几何法在模拟不价比较高．规则裂缝上有很好的解释，但是分形几何法目前仍2模拟裂缝扩展的有限元模型处于研究阶段，其理论尚未成熟．d．无网格法J．无网格法具有有限元法和边界2．1离散裂缝模型元法的优点，这对裂缝模拟又进了一步，然而，直到在早期的

5、离散裂缝模型中，认为裂缝两边的节现在无网格法还缺少成熟的理论基础．点是相互独立的，当单元内某点达到开裂条件后，则e．有限元法．自20世纪60年代起，就有人采用将该点改为两个节点，对节点进行重新编号．改进后有限元法对混凝土裂缝进行分析．有限元作为强大的离散裂缝模型采用两个弹簧将裂缝两边相应的节的分析工具已经得到学术界的广泛认同，在有限元点联结，裂缝开裂后只需改变弹簧的刚度系数，不必基础上，又出现了各种各样的裂缝扩展模拟方法，如增加新的节点，因此不必修改网格，计算上比较方随机骨料模型方法【7,8]，该方法主要利用Bazan【[3]等便，但无论是改进

6、和未改进的离散裂缝模型，都需要提出的随机颗粒模型，随机地生成颗粒在试件内的先假定裂缝的位置和方向，这是该方法的—个主要分布，然后根据骨料粒径的不同划分不同的网格来缺点，目前较少采用．作者简介；韦未(1975一)，女(壮族)，广西河池人，博士研究生，主要从事水工结构数值分析·53·2．2弥散裂缝模型人到位移场或应变场中，从而得到相应的有限元计弥散裂缝模型不是直观地模拟裂缝，而是在力算公式，这是目前比较流行的对裂缝的处理方法．学上模拟裂缝的作用，即在建立单元刚度矩阵时，考嵌人不连续模型的发展首先是从Oritz_l’J的研究虑裂缝的影响，因此不需要重

7、新剖分网格．在具体应工作开始的．1987年，为了提高用四边形单元求解剪用时，弥散裂缝模型又可分成以下几种：切带的精度，0ritz["J提出了在应变场中增加一项附加a．正交裂缝模型．该模型认为开裂后的材料各应变模式来模拟应变不连续，附加的应变模式是由基向异性主轴与开裂方向一致．于声张量的局部分叉分析来决定的，并且它们的形函b．旋转裂缝模型．Cope_lJ等认为裂缝方向并不数在整个分析过程中保持为常数．但单元中只有一条总是相互垂直的，因此提出旋转裂缝模型，该模型假应变不连续线(图1(a))．Belytsehko等_lB-对以上观点定材料的主轴与主应

8、力轴一起转动．但许多材料科又做了进一步研究，提出将微裂区嵌人到单元中，也学家认为裂缝形成是不可逆的，一旦裂缝形成就意就是说单元可以被一条具有两条平行的