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2021 No.4April2021年第4期4月混凝土与水泥制品CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 超高性能混凝土 (UHPC 冤动态损伤机理综述吴永魁，姚一鸣(东南大学土木工程学院，江苏南京210000)摘要：总结分析了超高性能混凝土(UHPC )现有研究成果，综述了其超高性能机理、单调拉伸和循环荷载下的本构关系、低周期疲劳状态下的损伤过程及微观损伤机理等，并对未来的研究方向提出了建议。
关键词：超高性能混凝土；协同效应；本构关系；微观机理中图分类号:TU528.31文献标识码:A doi:10.19761/j.1000-4637.2021.04.001.06Review of Dynamic Damage Mechanism of Ultra-high Performance ConcreteWU Yong-kui, YA O Yi-ming(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210000, China)Abstract: Based on the summary and analysis of the research works of UHPC, the ultra -high performancemechanism of UHPC, the constitutive relation under monotone tensile and cyclic loads, the damage process under lowcycle fatigue and the microscopic damage mechanism were summarized. Some suggestions for the future research direction were also provided.Key words: Ultra-high performance concrete; Synergistic effect; Constitutive relation; Microscopic mechanism0前言普通混凝土脆性大、抗拉强度低，尤其是在动态荷载下抗裂性能差，难以满足当今建筑对安全性及耐久性的要求。
页岩陶粒混凝土细观参数及损伤演化研究一、内容描述本文以页岩陶粒混凝土为研究对象，对其细观参数和损伤演化进行了系统深入的研究。
通过压汞法、扫描电镜、X射线衍射等手段对页岩陶粒混凝土的微观结构进行了详细分析，揭示了其独特的微观组成和结构特征。
利用声发射技术、应力应变曲线等手段对页岩陶粒混凝土的损伤演化过程进行了实时监测和分析，揭示了其损伤演化规律和破坏机制。
在细观参数方面，本文主要研究了页岩陶粒混凝土的颗粒级配、含水率、灰砂比等关键参数对混凝土性能的影响。
研究结果表明，通过合理控制这些参数，可以显著提高页岩陶粒混凝土的抗压强度、抗渗性能和耐久性。
在损伤演化方面，本文主要关注了页岩陶粒混凝土在单轴压缩、疲劳荷载和冲击荷载作用下的损伤演化过程。
研究结果表明，随着荷载的持续增加，页岩陶粒混凝土会出现明显的损伤现象，如裂纹的萌生、扩展和合并等。
损伤演化过程遵循一定的幂律关系，可用公式进行描述。
本文的研究成果对于揭示页岩陶粒混凝土的微观结构和损伤演化规律具有重要意义，可为工程实践提供理论依据和技术支持。
1. 页岩陶粒混凝土的发展与应用随着建筑行业的飞速发展，对建筑材料的要求也日益提高。
传统的混凝土在性能、环保和资源利用等方面存在诸多不足，新型建筑材料的研发和应用变得尤为重要。
页岩陶粒混凝土作为一种新兴的材料，正逐渐受到业界的广泛关注。
页岩陶粒混凝土是以页岩为主要原料，通过破碎、筛分、浸泡、搅拌、成型、养护等工艺制成的一种新型混凝土。
页岩陶粒具有较高的强度、良好的隔热性能和较低的压缩性，使其在建筑领域具有广泛的应用前景。
在发展过程中，页岩陶粒混凝土不断优化其配合比和施工工艺，以提高其性能和降低生产成本。
通过优化水泥砂浆的配合比，可以显著提高混凝土的强度和耐久性；通过改进浇筑和振捣工艺，可以确保混凝土的密实度和均匀性。
在应用方面，页岩陶粒混凝土已广泛应用于住宅建筑、桥梁工程、道路工程等领域。
由于其具有良好的隔热性能，页岩陶粒混凝土在建筑外墙和屋顶的保温隔热方面具有显著优势；其较低的自重也有助于降低建筑物的荷载。
混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型邹家强;张巍;刘爱华【摘要】混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料.目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究.然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的.鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序.利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验.结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展.最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响.该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2019(019)015【总页数】7页(P272-278)【关键词】混凝土;细观;数值试验;本构模型;随机损伤【作者】邹家强;张巍;刘爱华【作者单位】华南农业大学水利与土木工程学院,广州510642;华南农业大学水利与土木工程学院,广州510642;华南农业大学水利与土木工程学院,广州510642【正文语种】中文【中图分类】TU528.1混凝土是一种典型的多尺度材料，它在不同的层次上会表现出不同的结构细节。
目前对混凝土材料的研究主要集中在以下三个不同的尺度：微观、细观和宏观[1,2]。
从细观尺度上看，混凝土是一种典型的复合材料，主要由粗骨料、砂浆基体和界面过渡区组成[3—5]。
由于工程实践上所关注的混凝土宏观力学性能，很大程度上是由其细观尺度结构决定的，因此细观尺度下的研究已成为混凝土材料研究的一个热点领域。
目前混凝土力学性能的细观尺度研究主要有两种方法：物理试验和数值试验。
物理试验主要是在室内试验过程中采用X射线CT扫描、核磁共振和声发射等新技术[6—8]监测混凝土细观裂纹和损伤行为；而数值试验主要考虑细观尺度上混凝土的三相，采用有限元法进行数值模拟研究。
2。
3。
2 细观力学与混凝土破坏由混凝土材料组成的工程结构，如高坝、桥梁、海洋平台、核电站、隧道、地基基础及边坡等是基础设施建设中重要的组成部分. 混凝土材料是以水泥为主要胶结材料, 拌合一定比例的砂、石和水，经过搅拌、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的复合材料. 粗骨料和硬化水泥砂浆两种主要组成材料的成分、性质、配比以及粘结作用均对混凝土的力学特性有不同程度的影响，这使混凝土比其他单一材料具有更为复杂的力学性能.混凝土力学特性（宏观应力–应变关系和破坏机制) 是进行大坝、海洋平台、边坡等混凝土结构抗震设计及静、动力仿真分析的重要基础之一，也是目前研究的薄弱环节.混凝土是由水、水泥和粗细骨料组成的复合材料。
一般从特征尺寸和研究方法的侧重点不同将混凝土内部结构分为三个层次[24］（如图2—2）:(1）微观层次(Micro—level）.材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10-7cm～10—4cm着眼于水泥水化物的微观结构分析。
由晶体结构及分子结构组成，可用电子显微镜观察分析,是材料科学的研究对象；(2)细观层次（Meso-level）。
从分子尺度到宏观尺度，其结构单元尺度变化范围在10—4厘米至几厘米，或更大些，着眼于粗细骨料、水泥水化物、孔隙、界面等细观结构,组成多相复合材料，可按各类计算模型进行数值分析。
在这个层次上，混凝土被认为是一种由粗骨料、硬化水泥砂浆和它们之间的过渡区（粘结带）组成的三相材料。
砂浆中的孔隙很小而量多，且随机分布，水泥砂浆力学性能可以看作细观均质损伤体。
相同配合比、相同条件的砂浆试件,通常其力学性能也比较稳定，可以由试验直接测定。
由泌水、干缩和温度变化引起粗骨料和水泥砂浆之间产生初始粘结裂缝，而这些细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性能；(3）宏观层次（Macro-level）。
特征尺寸大于几厘米，混凝土作为非均质材料存在着一种特征体积，一般认为是相当于3～4倍的最大骨料体积。
混凝土损伤本构模型混凝土作为一种重要的建筑材料，在建筑结构中具有重要的作用。
然而，由于外界环境和使用条件的不断变化，混凝土在使用过程中可能会受到损伤，这些损伤可能会导致结构的不安全性。
因此，混凝土损伤本构模型的研究对于建筑结构的安全性具有重要的意义。
混凝土损伤本构模型是指用于描述混凝土材料在受到外部荷载作用后产生的损伤行为的数学模型。
通过研究混凝土在受损状态下的力学性能，可以为工程结构的设计和评估提供重要的依据。
本文将对混凝土损伤本构模型的发展历史、基本原理、研究现状及其应用进行综述，并探讨该领域的未来发展方向。
一、混凝土损伤本构模型的发展历史混凝土损伤本构模型的研究始于上世纪60年代。
最早提出的混凝土损伤本构模型是由Scheel和Lubbock于1961年提出的弹塑性损伤理论。
随后，梁奇等学者在1978年提出了一种考虑混凝土受损状态的本构模型，这为混凝土损伤本构模型的研究奠定了基础。
随着研究的不断深入，人们对混凝土损伤本构模型的要求也越来越高，例如考虑温度、湿度等耐久性因素对混凝土材料的影响。
在本构模型的建立方面，人们不仅关注其数学表达形式，更加重视其实际工程应用的可靠性和有效性。
混凝土损伤本构模型的研究发展历程为混凝土损伤本构模型的研究奠定了基础，同时也为今后的研究提供了重要的借鉴。
二、混凝土损伤本构模型的基本原理混凝土损伤本构模型的基本原理是通过描述混凝土在受到外部荷载作用后产生的损伤和变形过程，从而建立相应的数学模型。
其核心是将损伤参数引入材料的本构关系中，以描述材料在损伤过程中的力学性能。
混凝土损伤本构模型一般包括两方面的内容，即损伤模型和本构模型。
损伤模型用于描述混凝土在受到外部荷载作用后产生的损伤行为，通常采用损伤变量或者损伤指标来描述损伤程度。
本构模型则用于描述混凝土在不同损伤状态下的应力-应变关系，通常采用应力-应变关系的修正形式来描述材料的非线性和损伤效应。
混凝土损伤本构模型的基本原理是将损伤参数引入材料的本构关系中，以描述材料在损伤过程中的力学性能。
混凝土损伤演化方程
一般来说，混凝土损伤演化方程可以基于材料力学和断裂力学
原理建立。
其中，常见的混凝土损伤演化方程包括线性损伤模型、
非线性损伤模型和渐进损伤模型等。
线性损伤模型假设混凝土的损伤与应力成正比，通常用损伤变
量D来描述混凝土的损伤状态，其演化方程可以表示为D=σ/σ0，
其中σ为混凝土的应力，σ0为混凝土的抗拉强度。
非线性损伤模型考虑了混凝土在损伤过程中的非线性特性，常
用的非线性损伤模型包括能量损伤模型和弹塑性损伤模型。
这些模
型通过考虑混凝土的应变能和损伤能来描述混凝土损伤的演化过程，能够更准确地反映混凝土在受力下的损伤行为。
渐进损伤模型则结合了混凝土的线性和非线性损伤特性，通过
引入渐进损伤变量来描述混凝土的损伤演化过程，能够更加准确地
预测混凝土结构的损伤和破坏。
总的来说，混凝土损伤演化方程是混凝土力学和断裂力学研究
的重要内容，它可以帮助工程师和研究人员理解混凝土结构在受力下的损伤演化规律，为混凝土结构的设计和评估提供重要依据。
混凝土的宏观与细观力学性能分析关于《混凝土的宏观与细观力学性能分析》，是我们特意为大家整理的，希望对大家有所帮助。
混凝土材料的宏观力学性能，主要源于其内部的微缺陷的萌生、扩展、交汇贯通等细观结构的变化过程，以下是一篇关于混凝土宏观力学性能探究的论文范文，供大家阅读借鉴。
引言混凝土，是一种由水泥石、骨料和二者之间的界面过渡区所构成的三相复合材料。
并且，各相之中由于天然或人工的因素而包含大量的初始微缺陷(微裂缝和微空洞等).故，混凝土的力学性能不可避免地由三相与微缺陷所共同决定。
然而，不仅混凝土材料复杂的宏观力学行为，让人们难于把握;而且，从宏观层次所进行的力学性能研究，也很难从根本上解释各种宏观力学行为。
于是，在细观层次上，对混凝土材料细观结构构成及其变化，进行现象规律等的试验统计、简化概括等的数值模拟、抽象升华等的理论分析等一系列研究，人们希望能够从中找到既能有效表征混凝土材料力学性能的模型，又能合理解释其复杂力学行为的理论。
也因此，混凝土细观力学研究，成为当前一个人们极为热衷的研究方向。
本试验介绍了混凝土宏细观力学性能及细观力学机理研究现状，总结了混凝土细观力学机理研究的不足之处，提出了混凝土力学性能与力学机理的“宏细统一，拉压同质，压拱拉裂”的研究思路与力学模型。
此研究思路与力学模型，有可能较好地统一混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化过程，较好地解释混凝土在拉压应力、拉压循环应力等状态下力学行为的细观损伤机理(本质).1、混凝土宏观力学性能混凝土的宏观力学性能，主要有：不同加载方式下的力学性能，不同加载速率下的力学性能和不同构件尺寸的力学性能等。
下文简述前两者。
1.1不同加载方式下的力学性能混凝土在不同加载方式下的力学性能，主要表现为：σ-ε曲线特征方面、弹性模量方面、强度方面、应变或变形方面和单边效应方面等(表1).故分别概述混凝土各个方面的力学性能。
《细观混凝土分析模型与方法研究》篇一一、引言混凝土作为一种重要的建筑材料，其性能的稳定性和耐久性对于建筑结构的安全性和使用寿命具有至关重要的影响。
因此，对混凝土的性能进行深入研究，建立精确的分析模型，是当前建筑领域的重要任务。
本文将详细探讨细观混凝土分析模型与方法的研究现状与未来发展方向。
二、细观混凝土分析模型研究1. 细观混凝土模型的概述细观混凝土模型是指在微观尺度上对混凝土内部结构、组成以及性能进行分析和模拟的模型。
通过对混凝土细观结构的深入研究，可以更好地理解混凝土的力学性能、耐久性能以及其它物理性能。
2. 细观混凝土模型的构建细观混凝土模型的构建主要包括以下几个方面：一是根据混凝土的组成和结构，建立合理的细观结构模型；二是在模型中考虑混凝土内部各组分的相互作用和影响；三是通过数值模拟方法，对混凝土在受力过程中的细观结构变化进行模拟和分析。
3. 细观混凝土模型的应用细观混凝土模型的应用主要包括以下几个方面：一是用于混凝土的力学性能分析，如抗压强度、抗拉强度等；二是用于混凝土的耐久性能分析，如抗渗性能、抗冻融性能等；三是用于混凝土结构的损伤和破坏机理研究，为混凝土结构的设计和维护提供理论依据。
三、细观混凝土分析方法研究1. 实验方法实验方法是细观混凝土分析的重要手段之一。
通过实验可以获取混凝土内部结构、组成以及性能的详细信息。
常用的实验方法包括扫描电子显微镜（SEM）观察、X射线衍射分析、压汞法等。
2. 数值模拟方法数值模拟方法是细观混凝土分析的另一种重要手段。
通过数值模拟方法可以对混凝土在受力过程中的细观结构变化进行模拟和分析，从而获得混凝土的力学性能和耐久性能等信息。
常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法、分子动力学模拟等。
3. 综合方法综合方法是细观混凝土分析的另一种重要途径。
综合方法将实验方法和数值模拟方法相结合，通过实验获取混凝土内部结构、组成以及性能的详细信息，再利用数值模拟方法对实验结果进行验证和补充。
混凝土静态力学性能的细观力学方法述评一、本文概述混凝土，作为一种广泛应用于建筑、桥梁、道路等工程领域的重要材料，其静态力学性能的研究对于工程的安全性和耐久性具有至关重要的意义。
随着材料科学的深入发展，细观力学方法作为一种新兴的研究手段，为混凝土的静态力学性能研究提供了新的视角和工具。
本文旨在全面述评混凝土静态力学性能的细观力学方法，以期促进该领域研究的深入和拓展。
本文首先将对细观力学方法的基本概念和研究范畴进行阐述，明确其在混凝土静态力学性能研究中的应用价值和意义。
随后，将综述目前国内外在混凝土细观力学研究方面的主要成果和进展，包括细观结构表征、细观力学模型建立、细观参数识别等方面。
在此基础上，本文将重点分析细观力学方法在混凝土静态力学性能预测、优化设计及耐久性评估等方面的实际应用，并探讨其存在的问题和挑战。
本文将对细观力学方法在混凝土静态力学性能研究中的未来发展趋势进行展望，以期为推动该领域的研究进展提供有益的参考和借鉴。
二、细观力学方法概述细观力学，作为力学的一个分支，主要关注材料内部微观结构与宏观力学行为之间的关系。
在混凝土静态力学性能的研究中，细观力学方法的应用显得尤为重要，因为它能够揭示混凝土内部复杂的多相结构对其宏观力学行为的影响。
细观力学方法主要包括微观力学模型、数值模拟和细观实验技术等手段。
微观力学模型是细观力学方法的核心，它通过建立材料的微观结构与宏观性能之间的定量关系，来预测和解释材料的宏观力学行为。
在混凝土中，这些模型通常考虑骨料、砂浆基体和界面过渡区等细观组分的力学特性，以及它们之间的相互作用。
常见的微观力学模型包括代表体元模型、复合材料模型、格子模型等。
数值模拟是细观力学方法的重要工具，它通过对材料的细观结构进行数值化描述，来模拟材料的力学行为。
在混凝土中，数值模拟可以重现混凝土的破坏过程，揭示其破坏机理，以及预测其力学性能。
常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法、格子玻尔兹曼方法等。
混凝土损伤断裂的三维细观数值模拟李朝红;王海龙;徐光兴【摘要】On the meso-level, a method for establishing 3-D numerical model with random distribution of aggregate location and mechanical parameters was put forward. Based on damage mechanics and computational mechanics, two groups of numerical models of wet-screened concrete cube specimens were established with ANSYS software, i.e., the first group of models was designed to simulate three kinds of aggregate random distribution with the same gradation, and the second group of models was designed to simulate the random distribution of main material parameters of phases that composed concrete. By the numerical axial compression simulation of the two groups of models, the gradual process of damage crack appearance and the growth of concrete were revealed. The results show that the cubic compressive strength of concrete by numerical simulation approximates to that by physical test. The random distributing of aggregate location has influence on the generating location and expanding paths of crack, yet it has slight influence on the carrying capacity of samples. The material parameters heterogeneity of phases, which can be characterized well by Weibull distribution,reduces the carrying capacity of specimens.%提出一种在细观层次建立混凝土三维随机骨料随机力学参数模型的方法.将损伤力学与计算力学相结合,基于ANSYS软件平台进行二次开发,建立2组混凝土立方体湿筛试件的数值模犁:第1组模型模拟3种不同的骨料随机分布;第2组模型模拟混凝土各相材料主要力学参数的随机性,分别假定其参数符合对数正态分布和Weibull分布.通过对这2组模型的轴压进行模拟,揭示混凝土在轴向压力作用下单元的渐进损伤和裂缝的萌生与扩展过程.研究结果表明:数值模拟得到的混凝土立方体抗压强度与试验测得的抗压强度较接近;骨料的随机分布会影响试件裂缝产生的位置和扩展路径,但其对试件承载力的影响不大;混凝土各组成相材料参数的非均匀性降低了试件的极限承载力,采用Weibull分布能较好地表征材料参数非均匀性的影响.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(042)002【总页数】7页(P463-469)【关键词】混凝土;损伤断裂;随机骨料;随机力学参数;细观数值模型【作者】李朝红;王海龙;徐光兴【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都,610031;石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄,050043;西南交通大学土木工程学院,四川成都,610031;河北建筑工程学院土木系,河北张家口,075024;石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄,050043【正文语种】中文【中图分类】TU528.01混凝土是由水泥砂浆基体和嵌入其中的骨料颗粒所组成的多相复合材料，其物理力学性能复杂多变。
第2卷第1期2004年3月水利与建筑工程学报Journal of W ater R esources and A rch itectural EngineeringV o l.2N o.1M ar.,2004基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展尚岩,杜成斌(河海大学土木工程学院,江苏南京210098)摘 要:系统综述了基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟的研究现状,介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用。
重点对微平面模型、二维格构模型、随机粒子模型、细观结构模型、可考虑微裂纹间相互作用的细观损伤模型、基于弹性损伤本构关系的细观结构模型及Gurson细观损伤模型等几种常用的基于细观损伤的混凝土本构模型的优、缺点进行了比较。
最后指出了以后有待进一步研究的问题。
关键词:细观损伤;混凝土;力学性能;本构模型;数值模拟中图分类号:TU528.1 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(2004)01—0023—06Advances i n Nu m er ica l Si m ula tion of M echan ica l Performance ofConcrete Ba sed on M icro-m echan ics DamageSHAN G Yan,DU Cheng2b in(Colleg e of C iv il E ng ineering,H ohai U niversity,N anj ing,J iang su210098,Ch ina)Abstract:In th is paper,the researches of m echan ical p erfo r m ance of concrete based on m icro-m echan ics dam age are com p letely review ed and the app licati on of m icrom echan ics in the research of concrete p erfo r m ance is p resen ted.T he m erits and defects of som e k inds of con stitu tive m odel of concrete based on m icro-m echan ics dam age,such as m icro-p lane m odel,lattice m odel,random p article m odel, m icrom echan ical m odel,m icro-m echan ics dam age m odel con sidering the effect of m icro-crack, m icrom echan ical m odel based on elastic con stitu tive relati on,m icro-m echan ics dam age m odel based on po rou s m edia,are com p ared in detail.Fu rther m o re,the fu rther p rob lem s in th is field are discu ssed. Keywords:m icro-m echan ics damage;concrete;m echan ica l perfor mance;con stitutive m odel;nu m er ica l si m ula tion 混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成的非均质复合材料。
高强高性能混凝土损伤的细观数值演化郑捷;左河山;陈景恒;曹文平;郑山锁【摘要】On a meso-level,concrete can be seen as a three-phase composite material comprising a cement base,aggregate,and a transitional zone between the cement and aggregate.In this study, based on the random characteristics of the aggregate distribution and morphology,the Walraven formula is applied to determine the convex polygonal aggregate distribution of the two-dimension-al concrete specimen's cross-section.Subsequently,an algorithm for the random convex polygon aggregate is proposed,in which an area of round aggregate is used as the control parameter and the inscribed polygon of the round aggregate is used as the framework.A numerical experiment is conducted on specimens under uniaxial compression by using the high-strength and high-perform-ance concrete C80 as an example,and corresponding stress-strain curves and damage evolution pictures are drawn.A comparison between results of the numerical simulation and the physical test show that the numerical model proposed in this paper is both reasonable and feasible.%在细观层次上,混凝土可以被看作由水泥基、分散粒子和界面过渡层组成的三相复合材料.首先,基于骨料分布和形态的随机特性,将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边形骨料分布,提出圆形骨料模型中以圆骨料的面积为控制参数,以圆内接多边形为基架的凸多边形随机骨料算法.进而以C80高强高性能混凝土为例,对数值试样进行单轴受压的数值模拟,得到相应的应力-应变曲线和损伤演化图.数值模拟结果与物理试验结果对比表明本文提出的数值模型合理可行.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】7页(P745-750,769)【关键词】高强高性能混凝土;随机骨料模型;细观数值模拟;损伤演化;损伤有限元【作者】郑捷;左河山;陈景恒;曹文平;郑山锁【作者单位】西安建筑科技大学建筑设计研究院,陕西西安 710055;西安建筑科技大学建筑设计研究院,陕西西安 710055;西安建筑科技大学建筑设计研究院,陕西西安 710055;西安建筑科技大学建筑设计研究院,陕西西安 710055;西安建筑科技大学建筑设计研究院,陕西西安 710055【正文语种】中文【中图分类】TU528.01已有描述混凝土断裂损伤的细观模型，如格构模型、随机粒子模型、随机骨料模型等，都是针对普通混凝土，并假定混凝土是由砂浆基质、骨料和二者之间的黏结带组成的三相复合材料，从而采用细观层次上的简单本构关系来模拟材料复杂的宏观断裂过程[1-3]。
本文借鉴普通混凝土的细观层次研究思路，对高强高性能混凝土(HSHPC)的细观结构进行合理的简化，运用MATLAB软件建立随机骨料模型，基于损伤有限元分析方法，利用APDL语言编译损伤有限元计算程序，生成可进行数值试验的“高强高性能混凝土数值试样”并进行数值计算，将计算结果与课题组前期所获得的试验数据对比，以验证数值模型的准确性[4-6]。
三维富勒级配曲线和工程中常用的级配曲线吻合较好[7]，然而空间的模拟计算量十分巨大。
瓦拉文(Walraven J.C.)公式[8]建立了混凝土试件空间内骨料级配及含量与其截面所切割的骨料面积的关系，使得混凝土细观分析能够在二维平面内进行，从而大大减少了计算量：式中:Pk为粗骨料和细骨料体积之和与混凝土总体积之比，取值范围在0.6～0.8之间；Pc(D<D0)为二维级配曲线中粒径D<D0的概率。
根据瓦拉文公式，将三维富勒骨料级配曲线转化为二维骨料级配曲线，从而可以确定填充区域内不同粒径的骨料颗粒数Ni：式中:A为试件的截面积；Ai为该骨料的截面面积。
首先确定混凝土试件的平面范围，然后在其平面内利用MATLAB软件RAND函数随机确定骨料的圆心位置。
圆形骨料可以通过圆的直径和圆心坐标值(x,y)确定。
值得注意的是，当一个新骨料产生时必须确定该骨料和先前骨料之间不会出现位置的重叠或交叉，还需保证该骨料在混凝土试件平面之内。
将上述投放流程由MATLAB进行实现，得到100 mm×100 mm矩形框内的混凝土二维圆形随机骨料分布模型，骨料含量分别为43%[图1(a)]、53%[图1(b)]和63%[图1(c)]。
已有二维任意形状骨料的投放算法生成骨料的速度太慢[9-10]，本文在文献[10]的基础上做了改进，以提高骨料的生成效率，并使得数值模拟的骨料更加符合真实骨料形状。
对算法的改进包括：(1) 基骨料从三角形变为五边形，五边形决定了最终生成骨料的粒径和形状趋势。
与三角形相比，五边形具有面积大、形状饱满、更容易达到投放面积的优点。
多次程序调试与运行表明，五边形比三角形更有利于加快程序运行效率。
(2) 凸多边形判断时，对于“非凸性点”，程序不采用“剔除法”，而采用“替代法”。
“替代法”的优势在于避免重新生成新点，减少了运算量。
实践证明算法改进后程序运行效率有了显著地提高。
在圆形骨料基础上，把圆平均分成五段圆弧，在每段圆弧上随机生成一个点，连接生成五边形ABCDE(按照逆时针方向)，如图2(a)所示。
Step1：在五边形ABCDE上计算各个边长，选取最长的边，假设为DE，如图2(a)所示；Step2：作DE的中垂线得到FF1，并使得Kmax >FF1>Kmin(Kmax和Kmin为常数)，连结DF、EF形成新的边，此为骨料的第一次延伸，如图2(b)所示。
在延伸过程中，中垂线上点F应在五边形形成面域之外选取，骨料延伸方式遵循凸多边形侵入准则和判定准则；Step3：在六边形ABCDFE上计算各个边长，选取最长的边，假设为BC，并按照Step2的方法生成新的点G，此为骨料的第二次延伸，如图2(c)所示；Step4：重复Step2和Step3，生成新的多边形；Step5：当新生成的多边形骨料面积所占圆面积百分比高于N(N为常数)，该骨料即停止生长，并进行下一个骨料的生成。
真实世界的碎石一般为凸多边形。
在骨料生成过程中，如何保证生成的多边形为凸多边形是关键的一步。
对于凸多边形和凹多边形的判断可以从三角形面积正负入手。
如图3所示，p为多边形边a2a3上方的顶点(延伸点)，如果p与边a2a3邻边a3a4、a1a2连成的三角形Δpa1a2、Δpa2a3按照式(3)算得的面积均为正，则点p为“凸性点”；如果p与边a2a3邻边a3a4、a1a2连成的三角形Δpa1a2、Δpa2a3按照式(3)算得的面积不全是正值，则点p为“凹性点”。
所以图3(a)中的p点为“凸性点”，图3(b)中的p点为“凹性点”。
式中：(xi,yi)、(xi+1,yi+1)分别为图3所示凸多边形顶点ai和ai+1的坐标；(x,y)为图3所示凸多边形平面内任一点p的坐标；S为图3中所连成的三角形Δpaiai+1(i=1,2,…1)的面积，其正负值由p、ai、ai+1的排列顺序决定：若三个点按逆时针排列，则S为正，若三个点按顺时针排列，则S为负。
对于图3(b)的“凹性点”p，如果根据传统的“剔除法”直接剔除并重新生成，将耗费较多的CPU资源，且程序的运行速度也会大打折扣。
本文提出“替代法”，具体为：直接连接点p和点a1，用点p替代点a2，这样多边形由a1a2a3a4a5a6变为a1pa3a4a5a6，多边形的边长数量未变，但面积增大了(Spa2a3、Spa1a2)。
这种改进的算法有利于避免形成“凹多边形”，还能加快多边形的生成以满足面积要求，从而提高了生成效率。
单个骨料的生成程序流程见图4。
投放流程由MATLAB进行实现，得到100 mm×100 mm矩形框内的混凝土二维多边形随机骨料分布模型(图5)，骨料含量分别为43%[图5(a)]、53%[图5(b)]和63%[图5(c)]。
图5中所生成多边形骨料和实际的碎石骨料比较相似，且分布较均匀，从而证明了算法的正确性与可靠性。
对于普通混凝土，骨料-硬化砂浆界面通常被认为是其材料性能发展的薄弱环节，而本研究中用于型钢混凝土组合结构的高强高性能混凝土，由水泥、粗骨料、细骨料、水、活性矿物掺合料以及高效外加剂组成，且课题组对配合比进行了优化设计[4-6]，高强高性能混凝土在达到强度的90%～95%时才会出现开裂现象，而在这之前基本没有黏结裂缝出现，骨料与水泥砂浆具有更高的黏结强度，使得HSHPC 中骨料与水泥砂浆在整个受力过程中基本能够共同工作。
因此本文假设混凝土组成成分中骨料和砂浆能协同工作，忽略骨料-砂浆界面层对模型的影响，高强高性能混凝土细观模型被简化为由骨料单元和硬化水泥砂浆单元组成。
本文在分析混凝土细观尺度的变形、损伤和破坏过程中认为混凝土是一种准脆性材料[12]，其受力后在宏观上呈现应力-应变曲线的非线性是由于受力后不断损伤引起裂纹萌生和扩展造成的，而不是由于其塑性变形引起的。
基于此，弹性损伤力学的本构关系可以用来描述混凝土的细观单元各相的力学性质。
本文中损伤阀值应用最大拉应变准则表示。
该准则认为当细观单元的最大拉伸主应变达到给定的极限值时，该单元开始发生拉伸损伤。
细观单元的弹性损伤本构关系如图6所示。
式中：ft为混凝土试样各组分的抗拉强度；ftr为各相破坏单元的抗拉残余强度，ftr=λft，λ为残余强度系数，0<λ≤1；εt0为单元应力达到抗拉强度时的主拉应变；εtr为与抗拉残余强度相对应的残余应变，εtr=ηεt0，η为残余应变系数，对于混凝土试样各组分，1<η≤5；εtu为极限拉应变，εtu=ξεt0，ξ为极限应变系数，ξ>η；εmax为单元加载历史上主拉应变的最大值。
