基于Lattice模型的混凝土材料破壞過程模擬.pdf

1、鋼筋的銹蝕是影響如橋梁、碼頭等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的重要因素之一。而鋼筋銹蝕產(chǎn)物導(dǎo)致的體積膨脹將會使保護(hù)層混凝土發(fā)生縱向劈裂裂縫、保護(hù)層脹裂破碎甚至剝落。這會直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，更重要的是還會對結(jié)構(gòu)的延性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能滿足正常使用的要求。所以，充分認(rèn)識銹脹裂紋的擴(kuò)展過程對評估混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化程度至關(guān)重要。
　　對混凝土中裂紋的擴(kuò)展過程開展模擬，可以為較深入認(rèn)識鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹脹破壞提供一定的基礎(chǔ)

2、。由于混凝土材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性特征對裂紋的擴(kuò)展過程影響顯著，在計算模型中需要考慮非均質(zhì)的影響，這導(dǎo)致現(xiàn)有的模擬方法，如有限元法、邊界元法等在模擬混凝土中裂紋的擴(kuò)展過程上有一定的局限性。為此，本文在前人的基礎(chǔ)上，改進(jìn)三維Lattice模型，以空間桿單元來描述混凝土材料中的細(xì)觀三相結(jié)構(gòu);然后，引入彈性桿的拉伸損傷，設(shè)定其損傷失效條件來控制桿單元的破壞，由小范圍內(nèi)桿單元的失效來表征微裂紋的產(chǎn)生，并最終從宏觀上實(shí)現(xiàn)裂紋的延伸擴(kuò)展?？紤]到混凝

3、土整體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的無序性，這樣模擬出的裂紋擴(kuò)展是可以在任意方向上延伸擴(kuò)展的。
　　本文針對混凝土材料Lattice模型的建立與修正開展了研究，對鋼筋銹脹致裂以及混凝土材料疲勞破壞過程進(jìn)行了模擬，主要工作包括以下幾個方面:
　　首先，運(yùn)用Abaqus軟件的網(wǎng)格劃分功能以及其中的USDFLD材料用戶子程序，將有限單元劃分下的實(shí)體單元按一定規(guī)律離散化為空間桿單元集合，設(shè)置桿單元的拉伸損傷演化過程，采用后期數(shù)據(jù)定位方式投入骨料、設(shè)定I

4、TZ層，來實(shí)現(xiàn)混凝土材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的模擬。運(yùn)用上述模型對混凝土立方塊拉、壓、剪問題進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，基于Lattice模型模擬得到的混凝土構(gòu)件的宏觀裂紋擴(kuò)展過程以及宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線與已有的結(jié)果吻合良好，且在較密的網(wǎng)格劃分下，Lattice模型的模擬結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性。
　　其次，以Lattice模型與實(shí)體模型的響應(yīng)對比為基礎(chǔ)，分析Lattice模型參數(shù)的修正方法:對單一材料模型，對比計算出Lattice模型與實(shí)體模型響應(yīng)對比

5、量d、m，并由這兩個對比量對Lattice模型的彈模E及桿單元面積A進(jìn)行修正，使得兩個模型的響應(yīng)一致，達(dá)到修正的目的。對多材料的情況處理方法類似，但修正量隨模型中相對位置的變化存在一定偏差，由含骨料的三材料Lattice模型修正結(jié)果可知，外部響應(yīng)最大偏差值在5％左右，而內(nèi)部骨料附近位置，最大位移偏差保持恒定，最大應(yīng)力偏差增加了5％。
　　接著，基于修正后的Lattice模型，對鋼筋混凝土銹脹破壞過程進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果表明:中部

6、鋼筋銹蝕引起的裂紋，主要為底端豎向裂紋;對于角部鋼筋銹蝕引起的裂紋，在其外側(cè)混凝土厚度不足時，底端豎向裂紋和外側(cè)水平裂紋都有可能貫通至混凝土表面;對于多根鋼筋的情況，水平裂紋傾向于往連通各鋼筋的方向發(fā)展，并由此減弱了角部鋼筋裂紋向側(cè)邊的擴(kuò)展趨勢;附加箍筋對其影響范圍內(nèi)的混凝土產(chǎn)生環(huán)箍作用，從而延緩了箍筋外的銹脹效應(yīng)，使得臨界銹蝕率得到了提升;非均勻位移加載下模擬產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展路徑更為精確而可預(yù)測，因此適用性更好;綜合考慮銹脹效應(yīng)與疲勞效