混凝土梁弯拉断裂过程的细观分析

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1、http://www.paper.edu.cn混凝土梁弯拉断裂过程的细观分析应宗权杜成斌刘冰（河海大学土木工程学院，江苏南京210098）摘要：将混凝土看成是由骨料、砂浆和界面过渡层组成的三相复合材料。结合部分力学参数试验，采用非线性有限元对混凝土弯拉梁破坏过程进行了数值模拟。按照试件的实际配比，由Walraven公式计算出各种粒径区间骨料的平面等效面积，然后采用蒙特卡罗方法，并基于骨料的随机生长模型，生成混凝土试件的任意多边形随机骨料模型。混凝土细观结构的破坏由最大拉应力准则判别，对于软化段，采用了应力－张开位移模型以

2、缓解计算结果的网格依赖性。计算结果表明，界面厚度取0.2mm-0.8mm，对试件的荷载－位移全曲线的影响不大；任意形状骨料与圆形骨料的计算结果相近；界面层断裂能对梁宏观荷载－位移曲线的形状影响较大。关键词：细观分析，随机骨料模型，弯拉强度，断裂1引言混凝土是一种多层次复杂结构的复合材料，从混凝土的不同层次上研究其非线性力学行为以及建立各层次间力学行为的关系是十分有益的。WittmannF.H.建议将混凝土看作非均质复合材料，在细观层次上研究混凝土材料力学特性以及损伤断裂过程。因此近十几年来，人们提出了许多的混凝土细观力学

3、模型，这些模型从细观层次上对混凝土类材料的损伤及断裂过程给予合理的解释。计算机技术的[1]发展使得这一理论研究得以广泛展开。其中，具有代表性的有：①格构模型，该模型假定当某个单元的应力状态不能满足给定的强度准则时，认为该单元破坏，将其剔除，形成裂纹。然后调整整个网[2]格，进行下一步的分析。②随机粒子模型，该模型假定基体和骨料都是弹性的，不发生破坏，通过假[3]定粒子周围的接触层具有拉伸软化特性来模拟混凝土的断裂过程。③随机骨料随机力学参数模型，骨料形状、尺寸以及空间分布在基体中按一定的规则随机分布。对于每相中的单元赋予

4、相应的材料力学参数，各个单元的材料参数假定服从Weibull分布，每个单元本身是均匀且各向同性的，该模型认为细观层次上的拉伸破坏是混凝土在该层次上的唯一破坏模式。更为详尽的评述见文献[4]。对于混凝土结构断裂过程的细观数值研究，应用非线性有限元方法主要存在以下几个方面的困难。①断裂过程通常伴随应变的局部化。这将导致病态网格的出现，并最终影响数值计算结果的准确性。②混凝土是准脆性材料，其开裂过程相对稳定，且具有一定的软化行为；而塑性极限分析和线弹性断裂力学都不能够真实反映混凝土的这一性能。③界面过渡层厚度的选择。对于混凝土

5、而言，界面过渡[5]层是混凝土材料中的一个最薄弱环节，可视为混凝土的强度极限相。然而，真实混凝土中的界面层厚度极薄，一般认为其厚度约为50μm，高强混凝土的界面层则更薄。由于目前计算条件的限制，为了使基金项目：国家自然科学基金项目重点子题（50539030-1-1）；江苏省建管局资助项目（JS200348）；江苏省研究生培养创新工程项目1http://www.paper.edu.cn得计算能够顺利进行，有限元仿真中的界面厚度的取值都相对过大。同时，在混凝土细观数值模拟中，有观点认为可以采用简单的弹脆性的本构关系来反映混凝

6、土的非线性性质，以模拟混凝土的细观破坏过程。但研究者们尚未给出关于这种简化对于模拟结果的影响。为解决上述混凝土细观数值仿真中存在的问题，本文采用了拉应力—裂缝宽度模型替代应力－应变模型，以缓解仿真结果对有限元网格尺寸的依赖性。对界面单元厚度、骨料形状和界面断裂能对模拟结果的影响进行了分析研究。2任意骨料形状的随机骨料模型骨料的粒径分布可用骨料的颗粒分布曲线表示。为了使得混凝土可以产生最优化的结构密度和强度，常采用富勒曲线来确定各粒径颗粒的比例。而富勒曲线是骨料在混凝土中的空间级配曲线，然而[6]空间的模拟十分复杂，且计算

7、量巨大。基于概率统计，Walraven给出了富勒曲线的平面转化公式。混凝土中位于一个内截面上任一点具有直径D

8、界面层的方法。通过对界面层外边界的等距内缩，即可以生成界面层的内边界，也即骨料边界。3混凝土各相材料的拉应力－裂缝宽度模型与混凝土受压具有明显的应变软化行为相比，受拉时混凝土的脆性较为明显。但深入研究发现，混凝土受拉时的应力－应变曲线也有一个下降段。通过对受弯混凝土试件断裂过程的应变量测可知，不同长度的应变片测得应变