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多重随机等效平面桁架模型在混凝土中的应用中文摘要 混凝土是一

发布时间:2019-06-19 20:54 来源:未知 编辑:admin

  多重随机等效平面桁架模型在混凝土中的应用中文摘要 混凝土是一种具有复杂力学性质的非均匀准脆性材料。以往的研究大多将混 凝土受力后变形和断裂过程的非线性归结为弹塑性 用宏观上的弹塑性理论来表 然而这种基于经典力学理论的力学模型忽略了混凝土内部细观结构的非均 不足于表现混凝土变形过程的复杂性。细观力学是

  多重随机等效平面桁架模型在混凝土中的应用中文摘要 混凝土是一种具有复杂力学性质的非均匀准脆性材料。以往的研究大多将混 凝土受力后变形和断裂过程的非线性归结为弹塑性 用宏观上的弹塑性理论来表 然而这种基于经典力学理论的力学模型忽略了混凝土内部细观结构的非均 不足于表现混凝土变形过程的复杂性。细观力学是从细观层次上来分析混凝土的内部结构 把混凝土看作是由粗骨料、硬化水泥砂浆及两者之间的过渡层 组成的非均匀三相复合材料来进行研究。 本文从混凝土的非均匀特性出发 基于自动格子机理论提出了一种新的数值 方法一多重随机等效平面桁架模型。该模型与细观力学模型相比有其独特优点 模型构造相对简单 计算速度更快 更容易实现并行计算 能够应用于大型结构计算。 本文介绍了混凝土多重随机等效平面桁架模型的基本理论 在模型建立过程 中采用了简单的弹性本构关系 同时也制定了多重随机等效平面桁架模型的破坏 准则。在计算方面 本文引入元胞单元法来实现其计算部分 使计算效率明显提 本文针对工程中常用的混凝土用多重随机等效平面桁架模型生成了相 应的数值试样 对它进行了单轴载荷下的抗拉、抗压数值模拟。数值模拟结果与 实验结果表现出较好的一致性 证明了本模型的合理性和有效性。根据得到的单 轴拉压应力一应变曲线和裂纹演化图 分析了混凝土的损伤断裂过程 得出以下 结论 在数值模拟中 只要模型能够充分反映混凝土非均匀性的特点 即使使用 较为简单的本构关系也能够反映混凝土在单轴荷载作用下 从变形非线性到最后 破坏的全过程。本文对混凝土的尺寸效应进行了数值模拟 结果表明随着试样尺 寸的增大 抗压强度反而降低。对混凝土的数值模拟表明 随着混凝 土强度的提高 其压拉比越来越大。通过双中心裂纹剪切试样的数值模 拟还得出试样的整个断裂过程还是由于拉伸损伤引起的。 总之 本论文为混凝土力学性能的数值模拟提供了新的研究途径 是进行混 凝土在多轴受力情况下的数值模拟的基础性工作。 关键词 混凝土多重随机等效平面桁架模型数值模拟 自动格子机 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨鲞苤茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签字日期 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞鲞叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 签字日期砌年月牛日 签字日期 。咯年厂月牛日第一章绪论 第一章绪论 引言 混凝土作为重要的建筑材料自年到现在已有百余年的历史 当前己广 泛应用于房屋、道路、桥梁、水工大坝等土木工程领域中 甚至目前已经逐渐被 应用到核电站安全壳、海洋平台等复杂结构中。在更为广泛应用的结构工程领域 其中含有微裂纹甚至有宏观的缺陷如裂纹、气泡、孔穴、偏析等。事实上 混凝土类材料的破坏过程受控于材料中原有的微裂纹、孔穴 其破坏过程实际上 就是微裂纹萌生、扩展、贯通 直到最后宏观裂纹的产生导致混凝上失稳破坏的 过程。由于混凝土本身的非均匀性 使得其断裂过程变得更加复杂 对这种复杂 的裂纹扩展到断裂失稳的过程以及损伤与断裂机制等基本问题 还需要进一步的 研究。 混凝土数值模拟方法现状 混凝土的组成 混凝土是由水泥、砂子、石子和水按一定比例配合比拌合 并经过水化形 成的人工石材。水泥和水在凝结硬化过程中形成水 泥胶块 将砂子和石子等骨料粘结在一起。砂子和 石子等骨料和水泥胶块中的结晶体组成弹性骨架 承受外力。弹性骨架使混凝土具有弹性变形的特 而水泥胶块中未硬化的凝胶体使混凝土具有塑性变形的性质 它需要在较长时间内逐渐硬化。由 于混凝土内部结构比较复杂 因而其力学性质也较 混凝土组成为复杂。其组成如图 所示。 骨料 骨料是混凝土的重要组成部分 包括天然砂石骨料、人工轧制的骨料以及工第 章绪论 业冶金矿渣。不论天然的或人工轧制的 以圆孔筛计 凡粒径小于的称为 细骨料包括天然砂、人工砂等 粒径大于的称为粗骨料。普通混凝土构 件所用的骨料通常是粒径不超过的细砾石。骨料在混凝土中起骨架和填充 的作用。它的物理性质、力学性质以及化学性质对混凝土的各项力学指标都起着 至关重要的影响。混凝土在受力时 混凝土中骨料的极限应力可能大大超过混凝 土的抗压强度 骨料的强度往往决定了混凝土强度的上限值 但也不能太高 则在混凝土因温度或湿度的原因发生体积变化时水泥浆会受到较大的应力而开裂。从混凝土破坏过程分析 骨料对裂缝的扩展影响主要表现在以下几方面 生成和引发裂缝 由于离析 骨料下面往往形成蓄水腔 造成水平裂缝 由于骨 料与硬化水泥浆体弹性模量相差较大 会造成温度裂缝及收缩裂缝。骨料与硬化 水泥浆体的界面区是混凝土中的薄弱环节 受力后主要是从这一区域引发裂缝。 阻挡裂缝扩展。在普通混凝土中 骨料的强度和刚度大于硬化水泥砂浆体的 强度和刚度。若在给定荷载下裂缝从较弱的骨料与水泥砂浆体界面区或从硬化水 泥砂浆体中的大孔开始扩展 则在其扩展途中会有机会遇到骨料 并因此而受阻。 砂浆 砂浆基质是混凝土的主要组成部分 相对于骨料 它的强度和变形能力更接 近于混凝土 所以 它对混凝土的力学性质的影响要大得多。但是 在生成砂浆 基质的时候 不可避免会存在一些未被水化的水泥颗粒和孔隙 这就会导致砂浆 基质本身就是一个高度不均匀的三相复合材料 而它的不均匀性就会成为混凝土 强度和变形性能复杂、多变、离散的一个主要原因。 水泥浆体一骨料界面 骨料与砂浆粘结的界面是围绕在骨料颗粒周围的一层薄层 厚度一般为 微米。在普通混凝土结构中 骨料与砂浆的界面粘结强度通常低于砂浆体 的抗拉强度 而骨料的强度一般高于砂浆的强度。因此 从强度来看 界面是混 凝土中的一个最薄弱的部分。虽然目前还没有测定界面粘接强度的标准方法 许多测定表明界面粘结强度受许多因素影响。这些因素包括水泥品种与标号、 骨料品种与表面结构、及颗粒形状、尺寸、水灰比、养护条件和龄期等。但总地 说来 硬化水泥浆体与骨料界面粘结强度通常都低于硬化水泥浆体的抗拉强度。 由于界面强度比较低 会使混凝土在承受比砂浆和骨料强度低得多的应力作用下 发生破坏。同时在混凝土加载前界面己经存在微裂纹 。加载后又会因为界面强度 较骨料和砂浆低得多 因此 使得在该部位更易产生微裂纹 并且加载前就存在 的微裂纹更易扩展。这些因素使得混凝土在加载破坏过程中呈现非线性行为。而 且在拉伸荷载作用下 过渡区裂纹的扩展速度比在压荷载作用下的扩展速度要快 得多。因此 混凝土的抗拉强度要远低于抗压强度 并呈现脆性破坏。界面中存 第一章绪论 在较多的微孔洞和微裂纹 不仅对混凝土的强度有很大影响 对混凝土的刚性和 弹性也影响很大。在混凝土中 界面起着联结骨料颗粒和砂浆的作用 由于该区 域较薄弱 不能较好的传递应力 会导致混凝土的刚性较小 特别是在暴露于火 中或高温环境中时 混凝土过渡区的微裂纹将迅速扩展 使得混凝土的弹性模量 比抗压强度降低的速度更快。 裂缝 在通常气候、浇筑和养护条件下 在整个混凝土生命特征期内存在许多产生 裂缝的原因 混凝土构件中不可避免地存在许多裂缝 其中一些裂缝的方向是随 另一些则造成一定程度的各向异性。实际上混凝土在承受荷载之前 给出了混凝土裂缝的成因。在承载后这些裂缝区将产 生类似预裂区的作用 会继续生长扩展。因此必须把这些裂缝作为与混凝土破坏 有关的重要内部结构特征看待。 混凝土生命特征期及相应的裂缝成因生命特征期 典型的裂缝形成 浇灌及捣实 新浇混凝土泌水孔 承载前 热致裂缝、化学缩减及毛细管硬化着的混凝土 收缩裂缝、湿气收缩裂缝 干燥混凝土 承载后 承载混凝土 裂缝生成 断裂力学宏观模型在混凝土中的应用 根据混凝土的变形特点 人们提出了许多宏观断裂模型来模拟混凝土断裂过 程的非线性。在有限元的数值分析中人们提出了分离裂缝模型【】和弥散裂

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