基于损伤理论的混凝土力学性能研究

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混凝土是当代最重要的土木工程材料之一。在细观角度上,混凝土结构单元尺度变化范围在10-4厘米至几厘米之间,其研究主要针对粗细骨料、硬化水泥砂浆、孔隙、界面过渡层等细观结构。细观数值模拟方法不仅可以研究混凝土损伤断裂的全过程,还可以为改善混凝土力学性能提供理论依据,同时也可以解释试验中所发生的一些实验现象。在验证模型实用可靠有效额前提下,可以部分取代试验,减少工作量,节省大量的人力物力,具有很强的现实意义。  本文从混凝土的细观角度出发,将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥砂浆和界面组成的三相复合材料,建立混凝土数值试样,研究混凝土三相材料的性能对混凝土单轴压缩单轴拉伸性能的影响。  用MATLAB软件编程实现了骨料在二维平面内的随机分布。运用瓦拉文公式实现混凝土三维空间体积率向二维平面面积率的换算,根据混凝土的配合比及骨料级配曲线确定二维平面模拟区域内骨料粒径,应用适当的算法将在模拟区域内完成混凝土骨料的随机分布。进一步确定混凝土三相材料在模拟区域内的比例位置,完成混凝土的几何模型试样。  定义混凝土骨料、砂浆、界面的损伤本构模型,在ANSYS软件中对混凝土单轴压缩及拉伸性能进行数值模拟,得到混凝土的应力应变全曲线及混凝土损伤破坏过程,将模拟结果与试验结果对比,结果吻合较好。  讨论当骨料、砂浆、界面材料抗拉强度及弹性模量不同时,对混凝土单轴压缩及拉伸时力学性能的影响。结果表明:界面及砂浆的抗拉强度及弹性模量的改变对混凝土力学性能的影响更大,骨料力学性能参数的改变对混凝土力学性能的影响不明显。  
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