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非局部多尺度方法及其在混凝土重力坝细观分析中的应用

邬昆  
【摘要】:混凝土是典型的复合材料,复杂的宏观力学性能与混凝土材料的细观结构密切相关。混凝土细观结构一般认为是由骨料、砂浆以及界面过渡区等三相介质组成。此外,在砂浆和界面中存在大量微裂缝和孔洞,在荷载作用下这些初始缺陷发生扩展、弯折和汇合,对混凝土材料的宏观性质产生显著影响,导致材料性能逐渐劣化直至破坏。从细观上建立材料模型,并用于宏观结构分析,可以揭示宏观各种复杂现象,为此,本文对混凝土细观数值模型和多尺度方法进行了探讨,建立了基于弹脆性材料的细观数值模型和非局部多尺度方法,并应用于混凝土重力坝模型的数值研究,从细观上分析了引起重力坝模型试验尺寸效应的原因。 论文首先研究了基于弹脆性材料的细观数值模型,考虑到混凝土中存在许多微裂缝和孔洞的结构特点,提出了用含初始缺陷的细观结构来模拟混凝土宏观性能,其中假设初始缺陷位于界面上。针对弹脆性破坏,根据应力集中与应力强度因子之间的关系,建立了等效断裂强度准则。利用该细观模型模拟的混凝土单轴拉压结果与试验吻合的较好。通过分析不同含量的初始缺陷对混凝土细观模型性能的影响,结果表明初始缺陷是混凝土非线性细观模拟的关键。 其次,论文利用递进多尺度方法分析了弯拉试验的破坏过程,讨论了不同材料性能与细观结构尺寸的关系,研究了递进多尺度法的尺寸敏感性。根据宏观非局部理论和体积耦合法,建立了非局部多尺度方法,该方法的计算结果与细观直接分析非常接近。对于断裂破坏问题,基于修正的Voigt-Reuss模型,提出了简化的非局部多尺度方法,通过算例验证了简化后的有效性。 论文假定宏观断裂破坏的方向可以用最大拉应力表征,利用裂缝扩展路径算法,对重力坝模型进行了非局部多尺度分析。与宏观数值结果的对比表明,非局部多尺度方法可以更好的模拟重力坝模型试验中的尺寸效应。根据相似准则,建立了细观上满足相似性的不同比尺的模型,研究了宏观尺寸效应与细观相似性的关系,初步解释了引起重力坝模型尺寸效应的原因。


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