基于擴(kuò)展有限元法的混凝土裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬.pdf

1、混凝土材料的失效破壞過(guò)程可以看成是裂紋的萌生、擴(kuò)展到材料完全破壞的全過(guò)程，研究該過(guò)程對(duì)了解混凝土的破壞機(jī)理具有重要意義。
　　 為了研究該過(guò)程，本文首先采用試驗(yàn)的手段，進(jìn)行了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到了裂紋的擴(kuò)展過(guò)程，得到了荷載-裂縫開(kāi)口位移(P-CMOD)曲線、荷載-撓度曲線(P-δ)、裂紋長(zhǎng)度和荷載以及裂紋張開(kāi)口位移三者之間的關(guān)系曲線，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)混凝土裂紋擴(kuò)展全過(guò)程經(jīng)歷了混凝土試件的

2、彈性變形階段、裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋的失穩(wěn)斷裂階段和裂紋停止擴(kuò)展階段四個(gè)階段，其中在裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段找到了裂紋萌生的區(qū)域。
　　 在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文首先將混凝土考慮為均質(zhì)材料并對(duì)混凝土裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬中采用了擴(kuò)展有限元方法，該方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的解決以裂紋為代表的不連續(xù)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值方法，其保留了常規(guī)有限元所有的優(yōu)點(diǎn)，模擬裂紋開(kāi)裂時(shí)無(wú)需在裂紋尖端劃分密集網(wǎng)格，模擬裂紋擴(kuò)展時(shí)也無(wú)需進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分。基于上述優(yōu)點(diǎn)

3、，本文按照試驗(yàn)中試件的實(shí)際尺寸和材料模型進(jìn)行了混凝土三點(diǎn)彎曲梁裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比顯示兩者符合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，數(shù)值模擬中對(duì)裂紋動(dòng)態(tài)模擬的過(guò)程也體現(xiàn)出了擴(kuò)展有限元在混凝土裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬方面的優(yōu)越性。
　　 為了進(jìn)一步研究考慮骨料影響情況下的混凝土裂紋萌生、擴(kuò)展到材料最終破壞的全過(guò)程，本文將混凝土看成是由砂漿、粗骨料、和它們之間的粘結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，采用最優(yōu)級(jí)配公式和自行編寫(xiě)的隨機(jī)

4、骨料投放程序建立了混凝土二維隨機(jī)骨料模型，通過(guò)擴(kuò)展有限元方法對(duì)混凝土簡(jiǎn)支梁隨機(jī)骨料有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到了裂紋萌生、擴(kuò)展至整個(gè)試件完全破壞全過(guò)程的損傷圖和變形圖，結(jié)果顯示由于將混凝土看成是非均質(zhì)復(fù)合材料，裂紋的擴(kuò)展路徑更接近于試驗(yàn)結(jié)果，而與混凝土宏觀裂紋數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比也顯示將混凝土看成是非均質(zhì)材料更具有合理性。此外，改變骨料相的材料參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，骨料的抗拉強(qiáng)度對(duì)裂紋萌生、擴(kuò)展以及最終的裂紋整體形態(tài)有很顯著的影響。