混凝土斷裂過程的細觀數(shù)值模型及其應用.pdf

1、摘要(混疑、是一種I“程材料，、包括采礦!程在內(nèi)的、多，一程中用途極，。因此質(zhì)及其斷裂過程的研究對子采礦I程、地卜幾程以及結(jié)構(gòu)一程都是非常重要的。，其力學性有關混凝十力學特性的力學模型都是基于混凝十材料的宏觀層次研究其力學特性，其主要特點是把材料理想化為均質(zhì)體進行研究，把實驗室尺度卜力學試驗的結(jié)果作為材料的力學參數(shù)，以此為基礎進行更人尺度宏觀結(jié)構(gòu)的力學響應分析。實驗室的實驗結(jié)果，往往也是代表一定尺寸非均勻性結(jié)構(gòu)材料的平均力學響應。這種簡

2、化對于研究混凝十I.程結(jié)構(gòu)及進行其穩(wěn)定性的數(shù)值分析是非常必要的，但是卻難于研究混凝十材料在外載荷作用卜，由于裂紋的萌生、擴展及其貫通而導致的整個斷裂過程。日前，國際上對于混凝十材料力學性能的研究己經(jīng)開始從經(jīng)典的宏觀尺度轉(zhuǎn)向更細微的細觀尺度，建立了一些用于混這些模型還很不完善。而在國內(nèi)，這個方面的研究較少過程模擬的數(shù)值模ha但是，下哈疑土材料的細觀結(jié)鉤入手，應用彈性損傷理建立描述了細觀單元的本構(gòu)關系，建立了混凝十的數(shù)值模刑，以此為基礎進行

3、了下落疑土斷裂過程的數(shù)值模擬研究。lylj了反映混凝土的非均勻性，本文從混凝土的細觀層次結(jié)構(gòu)出發(fā)，假設混凝十為砂漿基質(zhì)、A料顆粒及兩者之間的粘結(jié)帶組成的二相復合材料，并進一步假定其三相組分的力學性質(zhì)滿足給定的統(tǒng)計分布。在數(shù)值模擬時，通過對不同組成相的單元賦以滿足Weibull分布的力學參數(shù)即可在數(shù)值上對混凝土這一典型非均勻體進行表征。提出了組成混凝十細觀單元的彈性損傷本構(gòu)關系，引入最人拉應變準則和摩爾庫侖準則作為損傷的閥值條件，建立了該

4、數(shù)值模型的力學基礎。進行了模型中有關參數(shù)(包括Weibull分布參數(shù)和單元本構(gòu)參數(shù))對于模擬結(jié)果影響的分析，為摸烈的合理性及其應用時的參數(shù)賦值提供理論依據(jù)。以此為基礎，分析了該數(shù)值模烈用于模擬混凝土斷裂過程時力學性質(zhì)參數(shù)的賦值問題，井給出了常用強度its凝十的數(shù)值模擬“配比方3“。進行了混凝土在常規(guī)載荷(包括單軸壓縮、單軸拉伸和雙軸載荷作用)卜斷裂過程的數(shù)值模擬，以證明數(shù)值模型能夠較好地反映混凝士在這些平面受力狀態(tài)卜的力學性能以及斷裂特

5、性。把該數(shù)值模型與國內(nèi)外己有的用于混凝十斷裂模擬的細觀數(shù)值模Ji進行比較，證明該模型不僅具備了其它模j0的優(yōu)點，而且是一個能夠模擬混凝十在雙軸載荷作用下強度及斷裂過程的細觀數(shù)值模型。進行了鑒峪疑土拉伸斷裂、前切斷裂、以及復合刑斷裂的數(shù)值模擬，給出了斷裂過程中的ABSTRACTConcreteisanengineeringmaterialthatiswidelyusedinmanyengineeringincludingminingeng

6、ineering.Thereforetheinvestigationonitsmechanicalpropertiesandfractureprocessisofvitalimportancetominingengineeringundergroundengineeringandstructuralengineering.Theclassicmacroscopicmechanicalmodelswhichcharacterizethec

7、oncreteasacontinuumatmacroscopiclevelandconsiderthetestresultsoflaboratoryscalespecimenasthemechanicalpropertiesofthematerialcouldanalyzethemechanicalresponseofstructureswithgreatersize.Inrealitythetestresultsinlaborator

8、ythataregenerallycalledphysicalandmechanicalparametersofmaterialareanaverageresponsesofaheterogeneousspecimenwithacertainsize.Thiskindofhomogenizationisveryimportanttotheinvestigationofconcretestructuresandnumericalanaly

9、sisofengineering.Butitisdifficulttousethesemodelstostudythecompletefractureprocessofconcretecausedbytheinitiationpropagationandcoalescenceofcrackswhensubjectedexternalloading.Atpresentinternationalinvestigationsonthemech

10、anicalpropertiesofconcretearebeginningtotransferfromtheclassicmacroscopicleveltoaminorleveli.e.mesoscopiclevelandalotofmesoscopicmechanicalmodelshadbeenproposed.But.thesemodelsarenotperfecttosomedegree.InChinathesekindso

11、fresearchesareveryfew.Inthispaperamesoscopicnumericalmodelthatcansimulatethefractureofconcreteisproposedwhentheconcreteisrepresentedbasedonitsstructuresatmesolevelandtheconstitutivelawofmesoscopicelementsaredescribedwith

12、elasticdamagemechanics.Inordertoreflecttheheterogeneityofconcreteatmesoscopicleveltheconcreteisfirstlyassumedtobeathreephasecompositecomposedofmatrixaggregatesandbondinginterfacebetweenthemandadditionallythemechanicalpar

13、ametersofthesethreephasesareassumedtobeconformtoWeibulldistribution.DuringthenumericalsimulationtheheterogeneityisachievedbyspecifyingcorrespondingmechanicalparametersthatconformstoWeibulldistributiontothemesoscopiceleme

14、ntsthatrepresentthediferentphasesofconcrete.Thenumericalmodelistheorizedwhenanelasticdamagebasedconstitutiverelationshipofmesoscopicelementsisproposedbasedonthefracturecharacteristicsofconcreteandthemaximumtensilestrainc

15、riterionandMohrCoulombcriterionareemployedtobethedamagethresholdoftheseelements.Inadditiontheeffectofrelatedparametersusedinthemodels(whichincludeWeibulldistributionparametersandconstitutiveparametersofelements)onthenume