混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值模擬研究

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1、第25卷第4期華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)Vo1．25NO．42008年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．20o8混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值模擬研究孫超，鄔翔，周勇，李杰(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)摘要：從細(xì)觀力學(xué)層次出發(fā)，把混凝土看作是由骨料、砂漿基質(zhì)及兩者之間的界面過渡區(qū)組成的三相復(fù)合材料，通過引入細(xì)觀損傷變量及損傷變量的演化規(guī)律模擬了混凝土的破壞過程。首先生成骨料位置隨機(jī)分布且顆粒級配符合Fuller曲線的數(shù)值試件，然后對每一相材料分別賦以服從Weibul1分布的隨機(jī)力學(xué)參數(shù)(彈模、強(qiáng)度和泊松比等)并規(guī)定相

2、應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，將通過上述途徑獲得的混凝土數(shù)值試件導(dǎo)入有限元軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬。與實驗結(jié)果的對比顯示，本文提出的隨機(jī)損傷數(shù)值模型能夠較好地模擬混凝土板式試件在單拉、單壓下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線以及混凝土中裂紋的萌生、開裂過程。關(guān)鍵詞：細(xì)觀力學(xué)；數(shù)值試件；隨機(jī)損傷；本構(gòu)關(guān)系中圖分類號：TU528．01文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A文章編號：1672—7037(2008)04—0276—04混凝土是一種非均勻的多相復(fù)合材料，其受的細(xì)觀本構(gòu)來模擬混凝土的宏觀力學(xué)性能。力特性表現(xiàn)出明顯的非線性與隨機(jī)性。研究和把握這種力學(xué)性態(tài)對分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)具有至關(guān)重要1細(xì)觀數(shù)值模型的作用。理論上，可以從

3、三個尺度出發(fā)研究混凝土的力學(xué)特性uJ：微觀層次(原子、分子量級)、1．1細(xì)觀數(shù)值試件細(xì)觀層次(10～mm一10mm量級)和宏觀層次(大獲得一個混凝土數(shù)值試件，關(guān)鍵是確定骨料于10mm量級)。從工程意義上，以細(xì)觀研究和的位置和尺寸。本文通過隨機(jī)投骨料的方法得到宏觀研究為主。數(shù)值試件[9,101，見圖1。混凝土的斷裂過程是一個其內(nèi)部隨機(jī)分布微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通直至形成宏觀裂紋而最終斷裂的過程。因此，在細(xì)觀層次上的研究最有可能把握混凝土受荷破壞過程，從而揭示其破壞的特征和機(jī)制，也為防止這種斷裂的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。近年來國內(nèi)外在這方面的研究，依據(jù)其發(fā)展圖1隨機(jī)投骨料法生成的

4、骨料分布圖脈絡(luò)大體可以分為：網(wǎng)格模型(LatticeMode1)【2_5J；根據(jù)已有研究結(jié)果【l¨，模型中各相的細(xì)觀力粒子模型(ParticleMode1)I6J；梁一顆粒模型(B．P學(xué)參數(shù)(彈性模量、強(qiáng)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。這些模型大多假定混凝土是由骨料、砂漿基1．2細(xì)觀單元的本構(gòu)關(guān)系質(zhì)和兩者之間的界面層組成，通過細(xì)觀層次上較數(shù)值試驗?zāi)M混凝土破壞的關(guān)鍵在于如何選為簡單的本構(gòu)關(guān)系來模擬宏觀層次上復(fù)雜的斷裂擇細(xì)觀單元的本構(gòu)關(guān)系以及破壞準(zhǔn)則。本文采用過程和力學(xué)表現(xiàn)。本文模型的出發(fā)點(diǎn)與之類似，混

5、凝土三相介質(zhì)即骨料、砂漿、及界面層來模擬但假定混凝土細(xì)觀單元在受荷作用時不僅產(chǎn)生損混凝土。傷，同時伴隨塑性變形，通過引入具有隨機(jī)損傷事實上，混凝土內(nèi)存在大量的初始微裂紋和收稿日期：2008．04—30作者簡介：孫超(1983一)，男，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向為混凝土數(shù)值仿真，scsuper@163．com。基金項目：國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(50621062)；國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點(diǎn)資助項目(90715033)。·278·華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)2008笠譬，s∞0B∽2．2單壓數(shù)值試驗參考文獻(xiàn)采用位移控制加載。圖7給出了數(shù)值試件和

6、實體試件受壓最終破壞模式的對比，兩者具有相【1]WittmannFH．StructureofConcretewithRespectto似性。CrackFormation[C]／／WittmannFH．StructureofConcretewithRespecttoCrackFormation．Netherlands：ElsevierSciencePublishers，1989：43—74．[2】SchlangenE，VanMierJGM．LatticeModelforSimulmingFractureofConcrete[C]／／NumericalModelsinFra

7、ctureMechanicsofConcreteMechanicsofConcrete．1993．圖7單壓數(shù)值試驗中裂紋開展[3】SchlangenE．GarbocziEJ．FractureSimulationsof把數(shù)值試驗所得應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實試驗全ConcreteUsingLatticeModel：Computational曲線進(jìn)行對比，見圖8。Aspects[J]．EngineeringFractureMechanics，1997，57(2—3)：319—332．【4】VanMierJGM，VervuurtA，VanVlietMR