大体积混凝土材料静、动力学性能数值模拟

【摘要】： 本文采用完全细观计算力学方法，将大体积混凝土在细观层次上看成是由粗骨料颗粒、硬化水泥砂浆及其二者之间的粘结界面组成的非均质复合材料，采用非线性有限元方法，在对大型商业有限元软件—MSC.MARC二次开发的基础上，对东江拱坝的三级配混凝土轴压试件、建设中的小湾拱坝三级配混凝土梁试件在静、动荷载下的力学性能和破坏过程进行了数值模拟。 根据三级配混凝土的骨料级配及Walraven公式，计算混凝土试件内部各级骨料颗粒的数目。采用蒙特卡罗方法，产生骨料颗粒在试件中的随机位置，建立混凝土随机骨料模型。对混凝土材料随机骨料模型进行有限元网格自动剖分，并实现各种单元材料参数的自动识别与赋值，在细观层次上较真实的模拟了三级配混凝土复杂的、高度非均质性。采用非线性本构模型来表征组成三级配混凝土的各种材质的非线性应力—应变关系，该本构模型具有可以模拟材料的开裂、拉伸软化、塑性屈服和压碎非线性等特点。对二维三级配混凝土静、动荷载下的力学性能及破坏过程进行了数值模拟研究，数值模拟结果与有关的试验结果较为接近。并将研究成果与不考虑材料的非均质性的数值模拟成果进行比较，结果表明二者之间有较大差异，考虑了材料的非均质性的极限荷载明显小于后者。研究表明混凝土的开裂，首先起源于骨料和砂浆的粘结界面，进而发展至砂浆中。混凝土的破坏，实际上是由于其内部的微裂缝的萌生、扩展、相互汇合，进而形成宏观裂缝贯穿混凝土而导致其失稳破坏的过程。最后，对三维三级配混凝土随机骨料模型的建立，成果的显示方式等进行了研究，提出了“基本单元模型”方法，对三维混凝土简支梁进行有限元网格自动剖分和材料赋值，并对空间的三级配混凝土简支梁的静力学性能进行了初步研究，得到了与二维数值模拟结果相类似的破坏形式。对有限元软件MARC进行了二次开发，实现混凝土有限元网格的各种材质单元的材料参数的自动识别及赋值，三维数值模拟结果的较直观显示等。本论文为大体积混凝土破坏过程和破坏机理的研究，混凝土力学性能的数值模拟提供了新的研究途径。