混凝土細(xì)觀損傷破壞過程的數(shù)值模擬 - 河海大學(xué)

1、混凝土細(xì)觀損傷破壞過程的數(shù)混凝土細(xì)觀損傷破壞過程的數(shù)值模擬及宏觀參數(shù)的估算值模擬及宏觀參數(shù)的估算 河海大學(xué)工程力學(xué)系河海大學(xué)工程力學(xué)系2006年年5月月27日日夏曉舟夏曉舟三維細(xì)觀有限元模型的建立三維細(xì)觀有限元模型的建立 骨料的網(wǎng)格剖分骨料的網(wǎng)格剖分 界面的網(wǎng)格剖分界面的網(wǎng)格剖分 塊狀：150mm*150mm*150mm砂漿的網(wǎng)格剖分砂漿的網(wǎng)格剖分骨料隨機(jī)投放及網(wǎng)格生成骨料隨機(jī)投放及網(wǎng)格生成砂漿的網(wǎng)格剖分砂漿的網(wǎng)格剖分骨料的網(wǎng)格剖分骨料的網(wǎng)格剖分 界面的網(wǎng)格剖分界面的網(wǎng)格剖分 柱狀：柱狀：D=100mm, H=200mm骨料網(wǎng)格剖分骨料網(wǎng)格剖分界面網(wǎng)格剖分界面網(wǎng)格剖分橢球骨料投放橢球骨料投放梁

2、：梁：150mm*220mm*1600mm網(wǎng)格剖分網(wǎng)格剖分 細(xì)觀各組份的本構(gòu)關(guān)系細(xì)觀各組份的本構(gòu)關(guān)系 骨料骨料界面界面水泥砂漿水泥砂漿Drucker-Prager Mohr-coulomb Mazars損傷本構(gòu)模型損傷本構(gòu)模型 ffTTTfTfTBAADD1111)(exp)1 (10單軸拉伸情況單軸拉伸情況 ffTTTfBAAE11101)(exp)1 (fE1011)1 (011TDE單軸拉伸損傷演化曲線單軸拉伸損傷演化曲線)0(000000)(1111ij2-)2(expBA2)A(1E2E1f1c1ccf011101ffffCCCfCfCBAADD)(exp)1 (10單軸壓縮情況單軸

3、壓縮情況 )1 (0CDE123222122-)2(expBA2)A(1E2E1f1c1ccf011101ffffCCCfCfCBAADD)(exp)1 (10)1 (0CDE單軸壓縮損傷演化曲線單軸壓縮損傷演化曲線CCTTDDD多軸應(yīng)力狀態(tài)情況多軸應(yīng)力狀態(tài)情況 iTCCiCiCTTiTiiiiHHii22)()(1TC)2(222CiTiCiTiiiHCiTiiHeaviside函數(shù)函數(shù) iH正主應(yīng)力引起的應(yīng)變正主應(yīng)力引起的應(yīng)變 負(fù)主應(yīng)力引起的應(yīng)變負(fù)主應(yīng)力引起的應(yīng)變 單軸拉伸單軸拉伸010203040506070800.00.51.01.52.02.5拉應(yīng)力（MPa）軸向應(yīng)變(G10-4)極

4、限荷載下縱剖面和橫截面的損傷分布極限荷載下縱剖面和橫截面的損傷分布 混凝土細(xì)觀損傷破壞過程的數(shù)值試驗混凝土細(xì)觀損傷破壞過程的數(shù)值試驗LDPfts2劈裂劈裂算出混凝土的抗拉強(qiáng)度值為算出混凝土的抗拉強(qiáng)度值為2.2Mpa，與單軸拉伸試驗相比要小，與單軸拉伸試驗相比要小一些一些（2.52.5MPaMPa) )，其實由劈裂試驗得到的極限承載有一定的隨機(jī)，其實由劈裂試驗得到的極限承載有一定的隨機(jī)性，因為不同的荷載施加部位（沿周邊）由于骨料的隨機(jī)分布將性，因為不同的荷載施加部位（沿周邊）由于骨料的隨機(jī)分布將會導(dǎo)致不同的結(jié)果，所以真正要通過劈裂試驗來推求抗拉強(qiáng)會導(dǎo)致不同的結(jié)果，所以真正要通過劈裂試驗來推求抗拉

5、強(qiáng)度，需進(jìn)行多組試驗，每組試驗對應(yīng)不同的荷載施加部位（相應(yīng)度，需進(jìn)行多組試驗，每組試驗對應(yīng)不同的荷載施加部位（相應(yīng)的位移約束也應(yīng)調(diào)整到與荷載共線的部位），然后所有劈裂試的位移約束也應(yīng)調(diào)整到與荷載共線的部位），然后所有劈裂試驗進(jìn)行統(tǒng)計平均，以最終確定混凝土的抗拉強(qiáng)度。驗進(jìn)行統(tǒng)計平均，以最終確定混凝土的抗拉強(qiáng)度。單軸壓縮單軸壓縮 考慮摩擦影響的方塊單軸壓縮時損傷分布考慮摩擦影響的方塊單軸壓縮時損傷分布 不考慮摩擦影響的方塊單軸壓縮時損傷分布不考慮摩擦影響的方塊單軸壓縮時損傷分布 不同圍壓下的假三軸試驗不同圍壓下的假三軸試驗 不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線 當(dāng)圍壓低時，屈服

6、強(qiáng)度低，隨著圍壓當(dāng)圍壓低時，屈服強(qiáng)度低，隨著圍壓增大，峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都增高，增大，峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都增高，且軟化也逐步呈現(xiàn)脆性特征，即圍壓且軟化也逐步呈現(xiàn)脆性特征，即圍壓越大，壓碎的可能性比壓剪的可能性越大，壓碎的可能性比壓剪的可能性大。大。 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 320510152025303540MPaG MPa MPa MPa MPa MPa砂漿損傷參數(shù)砂漿損傷參數(shù)BcBc的影響的影響 砂漿損傷參數(shù)砂漿損傷參數(shù)Ac的影響的影響損傷參數(shù)損傷參數(shù)BcBc越大，混凝土強(qiáng)化越大，混凝土強(qiáng)化特性卻表現(xiàn)得越弱。特性卻表現(xiàn)得越弱。 損傷參數(shù)

7、損傷參數(shù)AcAc越大，混凝土強(qiáng)化特越大，混凝土強(qiáng)化特性表現(xiàn)得越強(qiáng)，軟化特性相差不性表現(xiàn)得越強(qiáng)，軟化特性相差不大。大。024681012141618051015202530(MPa) Ac=1.5,Bc=2000 Ac=1.5,Bc=1500 Ac=1.5,Bc=10000246810121416180510152025MPaG Ac=1.5,Bc=1500 Ac=1.2,Bc=1500 Ac=1.0,Bc=1500梁彎曲試驗梁彎曲試驗 梁中部任意三個橫截面的損傷分布梁中部任意三個橫截面的損傷分布 梁中央下半部縱剖梁中央下半部縱剖面損傷演化過程面損傷演化過程 0.000.050.100.150.

8、2002468荷載（KN）跨中點撓度（mm） C=1.9MPa C=1.8MPa C=1.7MPa C=1.6MPa0.50.60.70.80.91.07.07.58.08.59.09.510.010.511.0極限承載力P（KN）砂漿損傷參數(shù)AT ES=5200MPa ES=4680MPa ES=4160MPa024681012141618202201234567891011荷載（KN）梁中央底部某點的拉應(yīng)變x(G10-4) AT=1.00 AT=0.90 AT=0.80 AT=0.74 AT=0.68 AT=0.62 AT=0.59 AT=0.56 AT=0.53界面強(qiáng)度的影響界面強(qiáng)度的影

9、響界面軟化模量和砂漿損傷參數(shù)界面軟化模量和砂漿損傷參數(shù)AT的影響的影響 砂漿損傷參數(shù)砂漿損傷參數(shù)AT的影響（的影響（ES=5200Mpa） 損傷參數(shù)損傷參數(shù)AT越小，即軟化段越緩，則越小，即軟化段越緩，則它阻止損傷出現(xiàn)局部化的能力就越強(qiáng)，它阻止損傷出現(xiàn)局部化的能力就越強(qiáng)，因而導(dǎo)致梁的承載能力也越高因而導(dǎo)致梁的承載能力也越高 混凝土宏觀有效模量的數(shù)值估算混凝土宏觀有效模量的數(shù)值估算1100000: :NIIIIDCIrCC能量等效原則能量等效原則fffjjjgggDCIrDCIrDCIrCC: : : : :0000000混凝土復(fù)合材料混凝土復(fù)合材料假定混凝土及其各組分均為各向同性材料K,G22

10、123GKJI0000220110033,2靜水壓力靜水壓力軸對稱剪切軸對稱剪切初始有效模量初始有效模量K0, G0假定混凝土有效模量在演化過程中泊松比保持不變假定混凝土有效模量在演化過程中泊松比保持不變)21 ( 3EK)1 (2EGfffjjjgggDCIrDCIrDCIrCC: : : : :0000000損傷破壞單元所占體積比損傷破壞單元所占體積比損傷單元的彈性矩陣損傷單元的彈性矩陣損傷單元平均應(yīng)變損傷單元平均應(yīng)變基體基體骨料骨料有效模量有效模量界面界面1fjgsrrrr混凝土強(qiáng)度參數(shù)估算混凝土強(qiáng)度參數(shù)估算0)(21hJIFF2tan129tan2tan1293ch|:sup)(Fdv

11、dvdvIhIJIJI)(:112121dvddvh當(dāng)當(dāng))()()()(:)(/)()(0 xEuDudivggSSS0hdavadadvahf) (),()()(:)(/)()(0 xEuDudivggSSaSClosed formHGKfhffhffdvdaddavaaadava23) ( )( ) ( 0)( ) ( 混凝土強(qiáng)度參數(shù)估算（續(xù)）混凝土強(qiáng)度參數(shù)估算（續(xù)）dadvahf) (),()()(:)(23)()(0 xEuDHGKudivggSeqdeqveqS)(3212312hrrmd)()521)(321 ()1)(531 (2hrrrrmd非摩擦接觸界面非摩擦接觸界面完好完好

12、界面界面)()521)(321 ()1)(531 (2hrrrrmd非摩擦接觸界面非摩擦接觸界面完好完好界面界面)(3212312hrrmd結(jié)束語結(jié)束語 由劈裂試驗得出的抗拉強(qiáng)度低于單軸拉伸試驗得出的由劈裂試驗得出的抗拉強(qiáng)度低于單軸拉伸試驗得出的抗拉強(qiáng)度，原因可能是劈裂試驗施加荷載的部位與骨抗拉強(qiáng)度，原因可能是劈裂試驗施加荷載的部位與骨料的隨機(jī)分布有很大關(guān)聯(lián)，關(guān)于這方面還有待進(jìn)一步料的隨機(jī)分布有很大關(guān)聯(lián)，關(guān)于這方面還有待進(jìn)一步研究。研究。對單軸壓縮試驗而言，考慮施加荷載與試件表面的摩對單軸壓縮試驗而言，考慮施加荷載與試件表面的摩擦效應(yīng)所得到的單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于不考慮摩擦效應(yīng)擦效應(yīng)所得到的單軸抗

13、壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于不考慮摩擦效應(yīng)所得到的單軸抗壓強(qiáng)度，且二者之間的損傷分布存在所得到的單軸抗壓強(qiáng)度，且二者之間的損傷分布存在極大的差異，對于不考慮摩擦效應(yīng)的試塊，其損傷分極大的差異，對于不考慮摩擦效應(yīng)的試塊，其損傷分布幾乎充滿整個試塊，而考慮摩擦效應(yīng)的情形，損傷布幾乎充滿整個試塊，而考慮摩擦效應(yīng)的情形，損傷只分布在試塊周圍的一些地方。只分布在試塊周圍的一些地方。對不同圍壓下的壓縮試驗，當(dāng)圍壓低時，混凝土屈服對不同圍壓下的壓縮試驗，當(dāng)圍壓低時，混凝土屈服強(qiáng)度低，隨著圍壓的加大，峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都增強(qiáng)度低，隨著圍壓的加大，峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都增高，且軟化也逐步呈現(xiàn)脆性特征，即圍壓越大，壓碎高，且軟化也逐步呈現(xiàn)脆性特征，即圍壓越大，壓碎的可能性比壓剪的可能性要大。的可能性比壓剪的可能性要大。另外，還研究了水泥砂漿的損傷參數(shù)和強(qiáng)化參數(shù)對混另外，還研究了水泥砂漿的損傷參數(shù)和強(qiáng)化參數(shù)對混凝土材料受壓力學(xué)性能的影響，得出損傷參數(shù)越大，凝土材料受壓力學(xué)性能的影響，得出損傷參數(shù)越大，混凝土的軟化特性表現(xiàn)得越脆。同樣，砂漿的強(qiáng)化特混凝土的軟化特性表現(xiàn)得越脆。同樣，砂漿的強(qiáng)化特性對混凝土起著正向的強(qiáng)化作用。性對混凝土起著正向的強(qiáng)化作用。對梁進(jìn)行四點彎曲試驗，得出界面參數(shù)和砂漿損傷參對梁進(jìn)行四點彎曲試驗，得出界面參數(shù)和砂漿