基于细观刚体弹簧元的轻骨料混凝土力学性能数值模拟.pdfVIP

水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 基于细观刚体弹簧元的轻骨料混凝土力学性能数值模拟 王立成 陈桂斌 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 辽宁大连 摘要 采用基于二维细观刚体弹簧元的数值方法 模拟了轻骨料混凝土静态加载下的力学性能 并将数值模拟结果 与试验结果进行了对比分析 得出的主要结论为 加载边界无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件 分别降低 立方体试件抗压强度 峰值应变随尺寸的增大而减小 非标准立方体试件抗压强度换算系数分别为 和 峰值应变换算系数分别为 和 通过数值模拟得到了棱柱体试件单轴受压 单轴受拉状态下的应力应变关系全曲线 并给出了单轴拉压强度之间 的关系 与试验结果的比较分析表明 二维刚体弹簧元数值方法能较好地预测轻骨料混凝土的静态力学性能 可 以用于分析轻骨料混凝土结构 关键词 轻骨料混凝土 刚体弹簧元 细观 静态力学性能 数值模拟 中图分类号 文献标识码 研究背景 随着计算技术的不断发展 近几十年来 数值分析方法 如有限单元法等 已成为大型结构工程设计 计算中的重要分析手段 有限元方法能够有效地分析结构的整体力学性能 如混凝土的开裂 结构承载 力和结构变形等 然而 在模拟混凝土裂缝的扩展过程和裂缝宽度的计算中 与实际结构中的裂缝 特征存在一定误差 腐蚀性介质环境中 混凝土内裂缝的发生和扩展是混凝土结构性能劣化的主要原 因 也是降低混凝土结构的耐久性和使用寿命的重要因素 因此 为了能较准确预测恶劣环境条件下混 凝土结构的耐久性能 就需要一个能够有效预测混凝土裂缝发生 扩展以及裂缝宽度模拟的数值计算方 法 基于离散单元思想的刚体弹簧元法成为一种非常具有发展前景的数值分析方法 等 用刚体弹簧元法模拟了均匀各向同性材料的脆性断裂 通过分析水泥砂浆板的复合型断裂以及无腹筋 钢筋混凝土梁的剪切破坏 验证了刚体弹簧元模型可以成功预测裂缝的形状 另外 通过对偏心荷载下 型桥墩的弹性应力分析和临界破坏分析 证明了刚体弹簧元法在结构分析中的有效性 陈欣等 改 进了刚体弹簧元的界面屈服准则 在界面材料的本构关系中引入损伤变量 有效模拟了材料损伤后应力 逐渐减小的过程 基于细观层次的混凝土力学性能的实验研究和数值模拟 是建立混凝土微观缺陷及其特性的不均 匀性与其宏观力学特性关系的连接桥梁 并且已经在刚体弹簧元方法对普通混凝土的数值模拟中得 到了应用 王宝庭等 采用二维刚体弹簧模型 探讨了预先存在的裂缝对混凝土性能的影响 建立起混 凝土细观结构与宏观性能之间的关系 并在细观层次上描述了混凝土的裂纹扩展行为 计算了弹性常数 与裂纹密度的关系 王宝庭等 将刚体弹簧元法应用于全级配混凝土本构关系研究 建立起细观结构 与宏观性能的关系 等 认为混凝土在细观上是由砂浆和骨料组成的多相复合材料 并将基本 收稿日期 基金项目 教育部创新团队资助项目 作者简介 王立成 男 山东安丘人 副教授 博士 主要从事轻骨料混凝土强度理论的研究 模型分为砂浆模型 骨料模型及界面模型 很好地模拟了普通混凝土的静态力学性能以及在单轴和双轴 应力条件下抗压强度和抗拉强度的关系 由于轻骨料混凝土具有自重轻 保温隔热性好 抗火性好和抗震性能良好等优点 在世界各国得到 迅速发展 现在已经成为仅次于普通混凝土用量最大的一种新型混凝土 国内外对轻骨料混凝土的力学 性能 耐久性能等已经开展了较为广泛的试验研究 但有关轻骨料混凝土细观层次上的数值模拟 研究目前还未见相关报道 本文将运用基于细观刚体弹簧元的二维数值模拟方法来分析轻骨料混凝土 的力学性能 并与已有的试验结果进行对比验证 为将其应用到轻骨料混凝土的结构分析和耐久性预测 中打下基础 刚体弹簧元法 刚体弹簧元作为一种离散单元的数值分析方法 最早由 等 提出 它能模拟裂缝的发生和裂 缝的随机分布 该方法将分析对