单位文秘网 2021-08-30 09:03:05 点击: 次
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Weibull分布的随机力学参数(弹模、强度和泊松比等)并规定相应的破坏准则,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,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-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。
关键词: 混凝土;破损;模拟研究
中图分类号:TU4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0420117-01
0 前言
混凝土材料是由骨料颗粒和水泥浆基体构成的复合材料,它的破坏问题要比理想的脆性材料复杂得多。用数值计算方法研究混凝土类材料的力学行为,有助于正确地描述和解释细观结构与宏观力学性能的关系,以便发现新现象和新机理。根据混凝土类材料的变形特点,人们提出了许多断裂模型来模拟其断裂过程的非线性,主要可分为两类数值模型:一类是研究连续介质问题的分离裂缝模型。另一类是对材料内部微裂纹成核、扩展及贯通过程进行模拟的细观模型。连续介质理论模型在假设混凝土为均匀材料的基础上对其非线性予以均匀化的描述,但不能描述细观非均匀性对于材料损伤及破坏局部化的影响。一些细观模型如梁单元模型模拟以细观拉损伤为主要破坏机制的混凝土宏观破坏(如:单轴拉伸、三点弯曲等)时,得到了与实验结果较为一致的结论。但模拟混凝土的单轴压缩时的破坏过程,得到的结果与实验结果偏差较大。本文用梁颗粒模型模拟混凝土在单轴压缩载荷作用下,从微裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致混凝土破坏的全过程,并探讨了混凝土材料细观结构对其宏观力学行为的影响。
1 混凝土细观结构数值模型
梁-颗粒细观数值模型中,假定混凝土为细骨料(砂粒)、粗骨料(石子)及水泥浆组成的三相复合材料。混凝土中的粗骨料(石子)以颗粒单元集合体模拟,砂粒直接以颗粒单元模拟,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹、脆性梁单元来联结,以模拟石子内部颗粒之间的联结作用以及砂粒之间、砂粒与石子之间的水泥浆胶结作用。根据混凝土骨料的级配,将不同粒径骨料随机分布在混凝土中,产生了混凝土结构。若某个颗粒单元的生成位置为混凝土中的石子,那么,该颗粒单元被称为“增强颗粒”,其它颗粒单元称之为“砂体颗粒”。由所联结的颗粒类型不同,梁单元可分为三种类型:增强梁单元(联结增强颗粒与增强颗粒)、砂体梁单元(联结砂体颗粒与砂体颗粒)以及界面梁单元(联结增强颗粒与砂体颗粒)。梁单元的类型不同,其性质如强度、刚度、弹性模量以及剪切模量等也不同,以反映混凝土材料细观层次的非均匀性。混凝土结构内部初始微裂纹和空洞缺陷等可通过断开梁单元和祛除颗粒单元来模拟。
梁-颗粒模型采用分步积分法进行迭代求解。先根据颗粒单元之间的作用力计算其位移,再通过矩阵位移法计算颗粒间梁单元的端点力,此端点力又反过来作用于颗粒单元上。当梁单元所受应力大于其强度时,该单元就从计算网格中祛除,祛除梁单元意味着裂纹的产生,以模拟混凝土的断裂过程。模型中的颗粒单元不能承受拉力,只能承受压力。在初始状态,颗粒单元是弹性体,其力学性质可以完全由其弹性模量和剪切模量来表达。
2 数值模型计算参数
从细观尺度出发研究混凝土材料的断裂过程时,其最重要的特点是可以而且必须考虑混凝土材料所具有的细观非均匀性。因此,在细观尺度的研究中,必须打破以往模型中材料的均匀性假设,使其更符合实际。在数值模拟中考虑非均匀性后,就可以研究断裂的局部化以及裂纹的萌生和扩展,直至整个断裂过程。
3 数值算列
在单轴受压状态下,两种颗粒单元和三种梁单元力学参数均按分布密度函数取值。当Weibull分布函数的形状参数时,三种梁单元的力学参数较为均匀,Weibull分布函数的形状参数m为1.5时,材料力学性质离散大。达到其强度时,该梁单元断裂,显示的颜色为黑色,表示形成裂纹。
数值试验结果显示,随混凝土材料细观力学性质分布的均匀性不同,当混凝土细观力学性质较为均匀时,表示混凝土材料内部缺陷很少,在压应力作用下,材料内部产生的裂纹很少,在靠近两侧的无约束边缘处首先出现裂纹,这是由于试件在压应力作用下向两侧膨胀,从而在两侧产生应力导致裂纹出现。随着压应力的不断增大,裂纹逐渐向混凝土材料内部扩展,直到试件破坏。当混凝土细观力学性质散性增大时,表示混凝土材料内部缺陷增多,尤其在骨料和砂浆的界面上缺陷较多,裂纹首先从界面产生,裂纹尖端绕过骨料并所示的混凝土破坏形态与实验结果相随压应力增大逐渐向砂浆扩展,最后贯通,导致混凝土破坏。从而说明混凝土材料在细观层次上其非均匀性是不可忽略的,其力学性质的弱化是由于内部结构在受演示了混凝土内部裂纹萌生、扩展、贯通导力后不断损伤导致裂纹产生而引起的。
通过对数值模拟结果的观察与分析可知,混凝土材料破坏机理是其内部潜在的各种缺陷引起的,其破坏过程就是裂纹的萌生、扩展以及裂纹间的贯通,最终形成宏观裂缝导致混凝土失稳破裂的过程。根据国内外已有的试验资料,混凝土是典型的非均匀材料,其中含有微裂纹,甚至有宏观的缺陷如裂纹、夹碴、气泡、孔穴、偏析等。混凝土的强度、变形和破坏的性能都与裂纹的扩展有关。混凝土材料内部在承受载荷以前已存在裂纹,这些裂纹大致可以分为两种类型:① 随机分布的微裂纹,它在一定程度上控制着混凝土的抗拉和抗压等宏观强度;② 方向一定的宏观裂纹,它有时使得混凝土的力学性质呈现各向异性。混凝土材料的破坏过程受控于其中原有的微裂纹,微裂纹一方面影响宏观裂纹的萌生过程,另一方面对主裂纹产生屏蔽与劣化的双重作用。
数值模拟结果说明了混凝土的破坏是由于材料中潜在的各种缺陷引起的,而材料性质细观非均匀性和缺陷分布的随机性是造成混凝土材料内部裂纹产生以及材料宏观应力 应变曲线非线性的根本原因。混凝土材料破坏过程实际上就是内部裂纹萌生、扩展、贯通,直到产生宏观裂纹,导致混凝土失稳破裂的过程。数值模拟研究显示,随着混凝土细观力学性质分布的均匀性不同,混凝土试件破坏形态产生较大变化,说明混凝土宏观力学性质不仅与细观单元力学性质均值有关,而且受细观单元力学性质非均匀性及其分布的影响,试件宏观力学行为与其细观结构之间有紧密联系。
4 结语
颗粒模型可以对混凝土破坏全过程进行较好的模拟,数值试验结果说明混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳破裂的过程。数值试验结果揭示出混凝土破坏机理,混凝土宏观破坏形态与其细观力学性质分布的均匀性密切相关,从而为从细观结提供了有力的工具。
参考文献:
[1]周尚志,混凝土动静力破坏过程的数值模拟及细观力学分析[D].西安理工大学,2007年.
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