混凝土材料细观结构断裂数值模拟.pdfVIP

维普资讯 2003年 1O月 西 北 工 业 大 学 学 报 0Ct． 2003 第21卷第5期 JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversity V0I_21No．5 混凝土材料细观结构 断裂数值模拟 徐 菁 ，吴子燕 (西北工业大学 土木工程系 ．陕西 西安 710072) 摘 要 ：在细观层 次上 ，应用 蒙特卡洛法 ，在二维平面上建立 了混凝土 多边形骨料 随机分布 结构模 型。对该模型采 用有限元方 法，根 据最大周 向正应 力准则 ，以混凝土三点弯曲梁试件为例 ，进行 了开 裂过程 的模拟 ，得 出了裂纹在基质 、骨料及界面中的扩展路径 。仿真分析表 明，混凝土试件的承栽能 力随着组成骨料粒径 的不同而变化 ，文 中对此进行 了讨论 。 关 键 词 ：混凝土 ，界面，断裂 ，有限元方法，数值模拟 中图分类号 ：TU501 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—2758(2003)05—0556—04 混凝土材料 由于其 自身诸多的优 点，多年来一 1．1 骨料模拟 直在土木工程上广泛采用 。人们对于混凝土力学性 目前工程上常用 的混凝土 以碎石混凝土居多， 质 的研究 已经进 行 了相 当长 的时间，在混凝土 断裂 碎石混凝土在二维上表现为 多边形 ，因此可 以用 随 方面完成 了许多富有成效地工作 ，ParkSW 等还对 机分布 的多边形来模拟梁构件横截面上骨料 的分 混凝土 的动态性能进 行了研究[1]，目前混凝土类 复 布 。首先应用 蒙特卡洛法产生均匀分布 的伪 随机 合材料力学行为 的研 究大 多建立在试验研 究基础 数 [3]，然后 以这些 随机数为基础构造混凝土骨料 的 上 。但 由于试验条件 、方法 、环境和材料本身的限制 ， 大小 、形状 、分布 ，即产生 出随机骨料 结构 ，这样基本 有些试验很难进行 ，或者离散性太大 ，或者难 于突破 可反映混凝土材料 的非均质性 ，如 图 1所示 。 时间限制 。随着近年来计算机技术和测试设备 的发 展 ，用计算机模拟和预测材料结构 的破坏过程 已成 为本学科 目前 的研究热点 。 宏微观相结合研究 ，在 90年代 已发展成为主要 图 1 小粱 试件 骨料 的 随机 分布 学科方向之一 。从细观角度 出发 ，混凝土可视为 由水 泥砂浆为基相 ，粗骨料为分散相的二相复合材料 ，是 1．2 单元及材料划分 一 种细观表现为非均质性 的多相非金属脆性材料 。 当受力构件带有裂缝时，裂缝尖端 附近 区域会 大量试验表 明，其宏观力学性能与其骨科 的分布、大 出现很大 的应力或应变 ，甚至出现奇异性 。为了对这 小、形状 以及各相异性 的物理力学性能等许多因素 样 的构件进行 比较精确 的解析 ，使用奇异单元等方 有关 。因此 ，本文利用细观力学及 断裂力学方法建立 法是有效 的；但也可采用另一种有效地方法 ，当对这 了一组细观模型 ，运用 Matlab软件对三点弯 曲试件 些局部区域的单元划分较小时 ，其解析精度也是足 的破坏全过程进 行 了模拟 。并对 由不同粒径 的骨料 够 的。所 以采用矩形和三角形两种单元相结合的办 组成 的混凝土 的承载能力 ，进行 了初步 的分析 。 法 ，将裂缝 附近的区域加密 ，直至精度满足要求为 止 ，如 图 2所示 。 1 有 限元模型 有 限元 网格划分完成后 ，将其投影到骨料结构 上 ，并分配不 同的刚度