扩展内嵌裂缝模型及其混凝土破坏全过程分析应用

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混凝土裂缝的非线性演化和扩展是导致结构完整性降低甚至破坏的罪魁祸首,因此客观准确地反映裂缝非线性演化对材料力学性能劣化和结构损伤破坏过程的影响规律十分重要。裂缝数值模拟方法作为物理实验的有益补充,在混凝土结构精细化分析和设计方面正发挥着愈加重要的作用。基于位移场强不连续问题的多尺度统一表述,本文提出了一种同时满足变形协调和牵引力连续条件的扩展内嵌裂缝模型。当选取具有明确物理意义的裂缝节点(裂缝与单元边的交点)位移跳跃作为增强自由度,并考虑裂缝两侧相对刚体运动(刚体平动以及刚体转动)和切向拉伸两种不连续模式时,不仅能够有效地解决传统内嵌裂缝模型仅能考虑定常位移跳跃而导致的应力闭锁问题,还能保证裂缝张开位移在相邻单元间的连续性。此外,结合裂缝跟踪算法,本文还详细给出了建议模型的有限元实现方法。通过轴向受拉、受弯和单侧受拉三个单元测试,初步验证了模型理论的有效性、数值计算方法的稳定性,且可有效避免应力闭锁问题。进一步对三点弯曲梁、楔入劈拉试件、单边缺口梁、双边缺口板等混凝土结构I型和混合型破坏标准试验进行了数值分析。分析得到的裂缝路径和荷载-位移曲线均与试验结果或文献结果吻合良好,验证了裂缝跟踪算法对于预测任意裂缝路径的有效性;同时分析结果也表明建议模型具有较高的粗网格精度和良好的数值健壮性,并且不存在明显的应力闭锁问题。
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