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基于CT图像的混凝土损伤演化及数值模拟研究

袁则循  
【摘要】:混凝土由于其经济性和便于施工等优点,被广泛应用于桥梁、隧道及建筑工程中。混凝土桥梁产生开裂、裂缝宽度的扩展直到超过限制、梁体挠度过大等状况,都可认为是混凝土变形失稳的结果,均可从微观角度来分析。混凝土是一类含水泥砂浆、骨料、掺杂相、孔隙及裂隙组成的多相复合材料,其组成决定了结构的非均质性和物理力学性质不连续性。混凝土的破坏是其内部微裂隙逐渐发展的最终结果,而研究混凝土内部微缺陷或损伤演化规律,有益于全面了解和描述混凝土材料的力学特性、深入分析结构的使用寿命和安全可靠性。研究并定量表述混凝土承载条件下内部微细观结构的非线性变化,建立微细观结构变形与宏观力学响应之间的关系,是混凝土非线性损伤、断裂行为及本构关系理论研究的重点,这对于解决工程实际问题具有重要的意义。室内宏细观力学实验研究为揭示混凝土力学非线性特性本质,破坏前后力学特性的准确描述提供理论、方法与工具,为理解混凝土非线性本质、破坏与失稳机理提供更深层次的认识。实验室尺度的研究中,通过各种试验仪器模拟不同应力状态对混凝土材料损伤演化规律进行研究,借助测量仪器与方法对损伤及其引起的变形局部化进行测量,对它们发展的几何形态进行定量描述。各国学者利用光弹性贴片法、激光散斑法,数字图像相关法等技术对混凝土材料的损伤和变形局部化进行观测。这些方法只限于试件表面的研究,而对其内部变形特征无法捕捉,混凝土材料的非均质性决定了这些方法不能全面反映其局部化变形特征。声发射(AE)是一种间接的动态观测方法,混凝土内部裂纹在产生、扩展、闭合、贯通等破坏过程中,会发出超声波,应用超声波便成为研究混凝土内部裂纹的有效工具,这种方法最大的缺陷是难以将细观破坏定量化。计算机断层成像技术(CT),是利用X射线的CT技术对试件进行扫描,获得试件的投影图像,通过数学重建得到断面的以灰度值显示的CT图像,灰度值试件内部物质的物理密度函数,因此根据CT图像可以观测到试件内部损伤演化和裂纹的萌生、扩展和贯通全过程,这类研究主要通过图像分割方法提取裂纹或孔隙,而且对裂纹或孔隙的统计也只是对不同层位CT图像或剖面图像,不能全面反映裂隙在空间的分布状态;另外由于受到分辨率的限制,通过CT图像只能获取CT分辨率尺度的裂纹,并不能揭示CT分辨率尺度裂纹形成前局部化变形的产生与发展。利用CT扫描可以无损地获取混凝土内部的三维结构,如何对其内部的损伤及裂隙进行三维表征,以及如何揭示宏观裂纹形成前的变形局部产生与发展过程,是亟待解决的问题,有益于对混凝土细观破坏机理的理解与认识。本文将细观力学、损伤力学、实验力学和数值计算理论相结合,以混凝土内部损伤的表征方法和变形局部区域的识别为主要研究内容,借助高精度的工业ct,利用体视学原理、数字图像处理技术与数字体图像相关法,从细观角度研究单轴压缩条件下混凝土内部损伤演化和损伤累积引起的变形局部化产生及演化过程的定量表征及可视化方法。本文主要的研究工作与取得的成果如下:1.利用工业ct及自制的配套加载装置实现了混凝土单轴原位扫描,获得了试件内部裂纹萌生、扩展及贯通的全过程ct图像。骨料与水泥浆界面是裂隙主要产生的区域,当骨料长度方向与载荷方向夹角较大时,骨料会被裂隙穿透产生破坏;原有大尺寸裂隙及孔隙在破坏前并没有出现塌陷破碎,这些裂隙及孔隙往往成为裂隙扩展的通道;2.不同应力状态下,不同层ct图像灰度均值与均方差的差异反映了试件内部的不均匀性。随载荷增加,试件体积的变化引起了灰度值的变化,整体图像的灰度均值经历了一个先增加后减小的过程,而灰度方差相应先减小后增加,两者随试件变形均呈非线性变化。获得了不同应力状态下,试件内部裂隙百分数分布图,处于骨料与水泥浆界面体素内部微裂隙变化明显;图像灰度值的统计可以分析小于ct分辨率尺度裂隙总体变化规律;3.通过图像分割提取了不同加载阶段试件内部的裂隙三维数字图像,统计了试件不同阶段的孔隙率及裂隙三维计盒分形维数,随着载荷的变化,孔隙率和裂隙计盒分形维数变化趋势具有一致性,而计盒分形维数综合反映了裂隙的数量与几何尺寸的变化;三维裂隙分析方法适于大于ct分辨率尺度裂隙的分析;4.引入基于体视学原理,构造了裂隙面积张量sij、实体路径张量λij和孔隙度张量nij,利用在不同荷载下的所得三个张量的第2不变量描述混凝土细观结构在空间分布的非均匀性,由相对应损伤变量:平均裂隙面积sv,平均实体路径λ和平均孔隙率n0的变化来揭示混凝土试件内部损伤的演化。在混凝土压实阶段,平均裂隙面积sv和平均孔隙率n0都有所减小,试件变得密实,平均实体路径尺寸λ增加,试件压实到一定阶段后,内部产生新的微裂隙,sv和n0呈逐渐增长的趋势,平均实体路径尺寸λ减小,裂隙与实体空间分布的非均匀性呈增长趋势,但由于内部既有新的微裂隙产生,也会有原有裂隙发生闭合,导致损伤张量的第2不变量随荷载增加出现波动;5.利用数字体散斑法(dvsp)结合ct图像,得到了混凝土试件内部变形过程中位移场与应变场,实现了应变的三维可视化;通过应变分布图,可以直观揭示小于ct分辨率尺度微裂隙引起的应变局部化区域产生与发展过程。由体积应变-轴向应力曲线分别定义了两种尺度裂隙的起始点,即小于ct分辨率尺度微裂隙和大于ct分辨率尺度裂隙的起始点,它们所对应的轴向应力分别为54.7%和82.0%的峰值应力;由应变场数据,定义了损伤应变阈值,大于该阈值的区域定义为损伤区域,提出采用损伤区域位置的二次矩来定义损伤因子,反映损伤演化规律。6.基于混凝土试件高精度的CT图像,分别提取了骨料、水泥浆、孔隙与界面,利用MIMICS软件建立了混凝土试件细观真实结构的三维数值模型,导入ANSYS有限元分析软件对单轴压缩过程进行了数值模拟,并与CT实验与DVSP应变分析结果进行了比较,验证了建模方法的可行性,能够揭示混凝土压缩过程中变形破坏规律;7.利用CT图像进行分析时会受得CT系统分辨率的影响,不同分析方法所研究的尺度有其适用性。CT图像灰度值的统计可以分析小于CT空间分辨率的裂隙,即体素内微裂隙发育的总体规律;通过图像分割分析裂隙与孔隙演化的方法更适于大于CT空间分辨率裂隙的分析,这两种方法更适用于试件整体变形规律的描述;DVSP法可以分析CT分辨率尺度裂隙出现前,小于CT分辨率尺度的微裂隙或损伤引起的应变局部化的产生与演化过程,而且能够实现精细化检测。本文研究创新点如下:1.利用CT获取了加载条件下混凝土的体图像,引入体视学原理,基于体图像构造了描述混凝土内部损伤空间分布的构造张量及损伤变量;2.将数字体散斑法与工业CT相结合,获得了单轴压缩条件下混凝土内部三维应变场,基于应变值定义了损伤因子,反映试件内部损伤演化;3.基于混凝土试件的体图像,建立了能够描述混凝土多相细观结构的数值模型,并进行了单轴加载数值模拟,结果能够揭示混凝土压缩过程中变形规律。本文研究为直观定量描述混凝土细观损伤及局部化变形演化过程提供了新方法和新途径。


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