混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究
2022-12-09
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第25卷第4期 华中科技大学学报(城市科学版) Vo1.25 NO.4 2008年12月 J.of HUST.(Urban Science Edition) Dec.20o8 混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究 孙超,邬 翔,周 勇,李 杰 (同济大学土木工程学院,上海200092) 摘要:从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材 料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗 粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibul1分布的随机力学参数(弹模、强 度和泊松比等)并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行 数值模拟。与实验结果的对比显示,本文提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单 压下的应力一应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。 关键词:细观力学;数值试件;随机损伤;本构关系 中图分类号:TU528.01 文献标示码:A 文章编号:1672—7037(2008)04—0276—40 混凝土是一种非均匀的多相复合材料,其受 的细观本构来模拟混凝土的宏观力学性能。 力特性表现出明显的非线性与随机性。研究和把 握这种力学性态对分析结构的响应具有至关重要 1细观数值模型 的作用。理论上,可以从三个尺度出发研究混凝 土的力学特性u J:微观层次(原子、分子量级)、 1.1细观数值试件 细观层次(10~mm一10 mm量级)和宏观层次(大 获得一个混凝土数值试件,关键是确定骨料 于10 mm量级)。从工程意义上,以细观研究和 的位置和尺寸。本文通过随机投骨料的方法得到 宏观研究为主。 数值试件[9,101,见图1。 混凝土的断裂过程是一个其内部随机分布微 裂纹的萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂纹而最 终断裂的过程。因此,在细观层次上的研究最有 可能把握混凝土受荷破坏过程,从而揭示其破坏 的特征和机制,也为防止这种断裂的发展提供理 论基础。 近年来国内外在这方面的研究,依据其发展 图1随机投骨料法生成的骨料分布图 脉络大体可以分为:网格模型(LatticeMode1)【2_5J; 根据已有研究结果【l¨,模型中各相的细观力 粒子模型(Particle Mode1)I6J;梁一颗粒模型(B.P 学参数(弹性模量、强度和泊松比等)皆采用 Mode1)【 ;多尺度混合模型(M—D Mode1)【8J等 Weibul1分布。 等。这些模型大多假定混凝土是由骨料、砂浆基 1.2细观单元的本构关系 质和两者之间的界面层组成,通过细观层次上较 数值试验模拟混凝土破坏的关键在于如何选 为简单的本构关系来模拟宏观层次上复杂的断裂 择细观单元的本构关系以及破坏准则。本文采用 过程和力学表现。本文模型的出发点与之类似, 混凝土三相介质即骨料、砂浆、及界面层来模拟 但假定混凝土细观单元在受荷作用时不仅产生损 混凝土。 伤,同时伴随塑性变形,通过引入具有随机损伤 事实上,混凝土内存在大量的初始微裂纹和 收稿日期:2008.40—30 作者简介:孙超(1983一),男,陕西渭南人,硕士研究生,研究方向为混凝土数值仿真,scsuper@163.com。 基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体科学基金(50621062);国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目 (90715033)。 ・278・ 华中科技大学学报(城市科学版) 2008笠 2.2单压数值试验 采用位移控制加载。图7给出了数值试件和 实体试件受压最终破坏模式的对比,两者具有相 似性。 图7单压数值试验中裂纹开展 把数值试验所得应力应变曲线与真实试验全 曲线进行对比,见图8。 strain/10‘ 图8混凝土单压应力应变全曲线图 从图8中可以看出,样本曲线的峰值应力符 合很好,峰值应变与真实试验也符合较好。均值 曲线与真实试验在全过程中都吻合较好,这说明 数值模型也能够较好地模拟混凝土单轴受压时的 力学特性。 4结语 本文基于细观层次上的混凝土三相介质本构 关系假定,通过引入Weibul1分布的随机细观力 学参数来表征材料的非均匀性。采用ABAQUS 软件模拟了高强混凝土材料在单轴受拉,单轴受 压时的宏观力学特性。与试验结果对比显示,本 模型在模拟、预测混凝土破坏时具有一定的合理 性。这为进一步研究环境作用下混凝土材料的老 化、破坏等机理和非线性特征奠定了基础。 譬,s∞0B∽ 参考文献 【1] Wittmann F H.Structure of Concrete with Respect to Crack Formation[C]//Wittmann F H.Structure of Concrete with Respect to Crack Formation. 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Key words:meso—scopic mechanics;numerical simulation;stochastic damage;constitutive law …………___………………………….._……………………一 (上接第272页) IEC 61400—1, International Electrotechnical 参考文献 Committee Wind Turbines Part 1:Design Requirements[S]. 【1】 王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解 [M】.北京:清华大学出版社,1997. [M】.北京:机械工业出版社,2006. Numerical Analysis of Reinforced Concrete Wind Turbine Tower Jl Tao,ZHOUYong,LIJ/e (School of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China) Abstract:Wind energy is a kind of pollution free regenerated resource.At present the steel hollow tower is widely used,but hte research and design of concrete tower is very limited.As the power of wind turbine grows, the higher tower is needed,and the concrete tower has more advantages.In tihs paper,the finite element method iS used to analyze the mechanical behavior of reinforced concrete wind turbine tower under static load and verify the design of an actual project.In the analysis,diferent modeling methods,i.e.shell composite element model and solid element model are employed and hte results rae compared.Furthermore.the influence of hte openings in the tower is investigated.The present research may offer some theoretical references to the design and construction of reinfo・rced concrete wind turbine tower in hte future. Key words:wind turbine tower;finite element;shel1 composite;embedded element