1、混凝土细观损伤破坏过程的数混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟及宏观参数的估算值模拟及宏观参数的估算 河海大学工程力学系河海大学工程力学系2006年年5月月27日日夏晓舟夏晓舟三维细观有限元模型的建立三维细观有限元模型的建立 骨料的网格剖分骨料的网格剖分 界面的网格剖分界面的网格剖分 块状：150mm*150mm*150mm砂浆的网格剖分砂浆的网格剖分骨料随机投放及网格生成骨料随机投放及网格生成砂浆的网格剖分砂浆的网格剖分骨料的网格剖分骨料的网格剖分 界面的网格剖分界面的网格剖分 柱状：柱状：D=100mm, H=200mm骨料网格剖分骨料网格剖分界面网格剖分界面网格剖分椭球骨料投放椭球骨料投放梁
2、：梁：150mm*220mm*1600mm网格剖分网格剖分 细观各组份的本构关系细观各组份的本构关系 骨料骨料界面界面水泥砂浆水泥砂浆Drucker-Prager Mohr-coulomb Mazars损伤本构模型损伤本构模型 ffTTTfTfTBAADD1111)(exp)1 (10单轴拉伸情况单轴拉伸情况 ffTTTfBAAE11101)(exp)1 (fE1011)1 (011TDE单轴拉伸损伤演化曲线单轴拉伸损伤演化曲线)0(000000)(1111ij2-)2(expBA2)A(1E2E1f1c1ccf011101ffffCCCfCfCBAADD)(exp)1 (10单轴压缩情况单轴
3、压缩情况 )1 (0CDE123222122-)2(expBA2)A(1E2E1f1c1ccf011101ffffCCCfCfCBAADD)(exp)1 (10)1 (0CDE单轴压缩损伤演化曲线单轴压缩损伤演化曲线CCTTDDD多轴应力状态情况多轴应力状态情况 iTCCiCiCTTiTiiiiHHii22)()(1TC)2(222CiTiCiTiiiHCiTiiHeaviside函数函数 iH正主应力引起的应变正主应力引起的应变 负主应力引起的应变负主应力引起的应变 单轴拉伸单轴拉伸010203040506070800.00.51.01.52.02.5拉应力（MPa）轴向应变(G10-4)极
4、限荷载下纵剖面和横截面的损伤分布极限荷载下纵剖面和横截面的损伤分布 混凝土细观损伤破坏过程的数值试验混凝土细观损伤破坏过程的数值试验LDPfts2劈裂劈裂算出混凝土的抗拉强度值为算出混凝土的抗拉强度值为2.2Mpa，与单轴拉伸试验相比要小，与单轴拉伸试验相比要小一些一些（2.52.5MPaMPa) )，其实由劈裂试验得到的极限承载有一定的随机，其实由劈裂试验得到的极限承载有一定的随机性，因为不同的荷载施加部位（沿周边）由于骨料的随机分布将性，因为不同的荷载施加部位（沿周边）由于骨料的随机分布将会导致不同的结果，所以真正要通过劈裂试验来推求抗拉强会导致不同的结果，所以真正要通过劈裂试验来推求抗拉
5、强度，需进行多组试验，每组试验对应不同的荷载施加部位（相应度，需进行多组试验，每组试验对应不同的荷载施加部位（相应的位移约束也应调整到与荷载共线的部位），然后所有劈裂试的位移约束也应调整到与荷载共线的部位），然后所有劈裂试验进行统计平均，以最终确定混凝土的抗拉强度。验进行统计平均，以最终确定混凝土的抗拉强度。单轴压缩单轴压缩 考虑摩擦影响的方块单轴压缩时损伤分布考虑摩擦影响的方块单轴压缩时损伤分布 不考虑摩擦影响的方块单轴压缩时损伤分布不考虑摩擦影响的方块单轴压缩时损伤分布 不同围压下的假三轴试验不同围压下的假三轴试验 不同围压下的应力应变关系曲线不同围压下的应力应变关系曲线 当围压低时，屈服
6、强度低，随着围压当围压低时，屈服强度低，随着围压增大，峰值强度和屈服强度都增高，增大，峰值强度和屈服强度都增高，且软化也逐步呈现脆性特征，即围压且软化也逐步呈现脆性特征，即围压越大，压碎的可能性比压剪的可能性越大，压碎的可能性比压剪的可能性大。大。 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 320510152025303540MPaG MPa MPa MPa MPa MPa砂浆损伤参数砂浆损伤参数BcBc的影响的影响 砂浆损伤参数砂浆损伤参数Ac的影响的影响损伤参数损伤参数BcBc越大，混凝土强化越大，混凝土强化特性却表现得越弱。特性却表现得越弱。 损伤参数
7、损伤参数AcAc越大，混凝土强化特越大，混凝土强化特性表现得越强，软化特性相差不性表现得越强，软化特性相差不大。大。024681012141618051015202530(MPa) Ac=1.5,Bc=2000 Ac=1.5,Bc=1500 Ac=1.5,Bc=10000246810121416180510152025MPaG Ac=1.5,Bc=1500 Ac=1.2,Bc=1500 Ac=1.0,Bc=1500梁弯曲试验梁弯曲试验 梁中部任意三个横截面的损伤分布梁中部任意三个横截面的损伤分布 梁中央下半部纵剖梁中央下半部纵剖面损伤演化过程面损伤演化过程 0.000.050.100.150.
8、2002468荷载（KN）跨中点挠度（mm） C=1.9MPa C=1.8MPa C=1.7MPa C=1.6MPa0.50.60.70.80.91.07.07.58.08.59.09.510.010.511.0极限承载力P（KN）砂浆损伤参数AT ES=5200MPa ES=4680MPa ES=4160MPa024681012141618202201234567891011荷载（KN）梁中央底部某点的拉应变x(G10-4) AT=1.00 AT=0.90 AT=0.80 AT=0.74 AT=0.68 AT=0.62 AT=0.59 AT=0.56 AT=0.53界面强度的影响界面强度的影
9、响界面软化模量和砂浆损伤参数界面软化模量和砂浆损伤参数AT的影响的影响 砂浆损伤参数砂浆损伤参数AT的影响（的影响（ES=5200Mpa） 损伤参数损伤参数AT越小，即软化段越缓，则越小，即软化段越缓，则它阻止损伤出现局部化的能力就越强，它阻止损伤出现局部化的能力就越强，因而导致梁的承载能力也越高因而导致梁的承载能力也越高 混凝土宏观有效模量的数值估算混凝土宏观有效模量的数值估算1100000: :NIIIIDCIrCC能量等效原则能量等效原则fffjjjgggDCIrDCIrDCIrCC: : : : :0000000混凝土复合材料混凝土复合材料假定混凝土及其各组分均为各向同性材料K,G22
10、123GKJI0000220110033,2静水压力静水压力轴对称剪切轴对称剪切初始有效模量初始有效模量K0, G0假定混凝土有效模量在演化过程中泊松比保持不变假定混凝土有效模量在演化过程中泊松比保持不变)21 ( 3EK)1 (2EGfffjjjgggDCIrDCIrDCIrCC: : : : :0000000损伤破坏单元所占体积比损伤破坏单元所占体积比损伤单元的弹性矩阵损伤单元的弹性矩阵损伤单元平均应变损伤单元平均应变基体基体骨料骨料有效模量有效模量界面界面1fjgsrrrr混凝土强度参数估算混凝土强度参数估算0)(21hJIFF2tan129tan2tan1293ch|:sup)(Fdv
11、dvdvIhIJIJI)(:112121dvddvh当当)()()()(:)(/)()(0 xEuDudivggSSS0hdavadadvahf) (),()()(:)(/)()(0 xEuDudivggSSaSClosed formHGKfhffhffdvdaddavaaadava23) ( )( ) ( 0)( ) ( 混凝土强度参数估算（续）混凝土强度参数估算（续）dadvahf) (),()()(:)(23)()(0 xEuDHGKudivggSeqdeqveqS)(3212312hrrmd)()521)(321 ()1)(531 (2hrrrrmd非摩擦接触界面非摩擦接触界面完好完好
12、界面界面)()521)(321 ()1)(531 (2hrrrrmd非摩擦接触界面非摩擦接触界面完好完好界面界面)(3212312hrrmd结束语结束语 由劈裂试验得出的抗拉强度低于单轴拉伸试验得出的由劈裂试验得出的抗拉强度低于单轴拉伸试验得出的抗拉强度，原因可能是劈裂试验施加荷载的部位与骨抗拉强度，原因可能是劈裂试验施加荷载的部位与骨料的随机分布有很大关联，关于这方面还有待进一步料的随机分布有很大关联，关于这方面还有待进一步研究。研究。对单轴压缩试验而言，考虑施加荷载与试件表面的摩对单轴压缩试验而言，考虑施加荷载与试件表面的摩擦效应所得到的单轴抗压强度远大于不考虑摩擦效应擦效应所得到的单轴抗
13、压强度远大于不考虑摩擦效应所得到的单轴抗压强度，且二者之间的损伤分布存在所得到的单轴抗压强度，且二者之间的损伤分布存在极大的差异，对于不考虑摩擦效应的试块，其损伤分极大的差异，对于不考虑摩擦效应的试块，其损伤分布几乎充满整个试块，而考虑摩擦效应的情形，损伤布几乎充满整个试块，而考虑摩擦效应的情形，损伤只分布在试块周围的一些地方。只分布在试块周围的一些地方。对不同围压下的压缩试验，当围压低时，混凝土屈服对不同围压下的压缩试验，当围压低时，混凝土屈服强度低，随着围压的加大，峰值强度和屈服强度都增强度低，随着围压的加大，峰值强度和屈服强度都增高，且软化也逐步呈现脆性特征，即围压越大，压碎高，且软化也
14、逐步呈现脆性特征，即围压越大，压碎的可能性比压剪的可能性要大。的可能性比压剪的可能性要大。另外，还研究了水泥砂浆的损伤参数和强化参数对混另外，还研究了水泥砂浆的损伤参数和强化参数对混凝土材料受压力学性能的影响，得出损伤参数越大，凝土材料受压力学性能的影响，得出损伤参数越大，混凝土的软化特性表现得越脆。同样，砂浆的强化特混凝土的软化特性表现得越脆。同样，砂浆的强化特性对混凝土起着正向的强化作用。性对混凝土起着正向的强化作用。对梁进行四点弯曲试验，得出界面参数和砂浆损伤参对梁进行四点弯曲试验，得出界面参数和砂浆损伤参数对混凝土梁试件承载能力的影响规律。界面强度参数对混凝土梁试件承载能力的影响规律。界面强度参数越强，界面软化模量越小（越缓），梁承受弯曲的数越强，界面软化模量越小（越缓），梁承受弯曲的能力就越强；同样，砂浆的损伤参数能力就越强；同样，砂浆的损伤参数AT越小，即软化越小，即软化段越缓，则它阻止损伤出现局部化的能力就越强，因段越缓，则它阻止损伤出现局部化的能力就越强，因而导致梁的承载能力也越强。而导致梁的承载能力也越强。谢谢 谢谢
