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混凝土裂缝扩展规律及控制方法研究一、研究背景及意义混凝土是建筑工程中常用的一种材料，其具有高强度、耐久性强、防火、耐热等优点，但在使用中也会出现裂缝问题，这不仅会影响建筑物的美观，还会影响其力学性能和使用寿命。
因此，混凝土裂缝扩展规律及控制方法的研究具有重要意义。
二、混凝土裂缝扩展规律混凝土裂缝扩展规律是指混凝土在受力作用下，裂缝发生及扩展的规律。
混凝土裂缝的发生和扩展是由于混凝土的强度不足以承受受力作用，从而导致混凝土的破坏。
混凝土裂缝的扩展与以下因素有关：1.荷载大小和荷载类型混凝土的承载能力与荷载大小和荷载类型有关。
当荷载大小超过混凝土的承载能力限度时，混凝土会发生破坏和裂缝。
不同类型的荷载对混凝土的承载能力影响也不同。
2.混凝土强度和韧性混凝土的强度和韧性对裂缝扩展有重要影响。
强度越高的混凝土，其裂缝扩展速度越慢，而韧性好的混凝土，其裂缝扩展速度则会相对较慢。
3.混凝土含水率和环境温度混凝土的含水率和环境温度也会影响裂缝的扩展。
含水率越高的混凝土，其裂缝扩展速度越快。
而在低温环境下，混凝土的韧性会降低，从而导致裂缝扩展速度加快。
4.混凝土中的缺陷和不均匀性混凝土中的缺陷和不均匀性也会影响裂缝的扩展。
混凝土中的缺陷和不均匀性越大，其裂缝扩展速度也越快。
三、混凝土裂缝的控制方法混凝土裂缝的控制方法主要包括以下几个方面：1.加强混凝土的强度和韧性加强混凝土的强度和韧性可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
加强混凝土的强度和韧性的方法包括增加混凝土的水泥用量、添加增强材料等。
2.减少混凝土中的缺陷和不均匀性减少混凝土中的缺陷和不均匀性可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
减少混凝土中的缺陷和不均匀性的方法包括加强混凝土的密实性、控制混凝土的施工质量等。
3.选择合适的荷载类型和荷载大小选择合适的荷载类型和荷载大小可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
在设计时应根据实际情况选择合适的荷载类型和荷载大小。
4.控制混凝土的含水率和环境温度控制混凝土的含水率和环境温度可以有效地控制混凝土的裂缝扩展速度。
202019 年 第 6 期采用分离裂缝模型模拟混凝土裂缝扩展时，有限元网格需要不断地调整和再生成，这将导致新的节点拓扑的产生。
为此，本文探讨了基于虚拟裂缝模型的混凝土裂缝扩展模拟方法，通过非线性弹簧模拟虚拟裂缝的黏聚力，旨在避免裂缝扩展过程中有限元网格的不断剖分，提高计算效率和精度。
三点弯曲梁算例结果表明，本文所探讨的方法是合理和有效的。
自20世纪60年代以来，国内外学者在计算机模拟裂缝扩展方面做了很多工作，采用了[1]很多新方法。
有限元法作为强大的分析工具已经得到学术界的广泛认同。
断裂力学中的虚拟裂缝模型对裂缝扩展模拟采用分离网格节点来实现，在裂缝扩展过程中需对单元网格进行不断剖分，这将导致新的节点拓扑的产生，在计算效率和计算精度上都存在一定的缺陷。
本文在分析混凝土断裂过程区材料的软化特性基础上，运用非线性断裂力学模型描述其本构关系，探讨基于虚拟裂缝模型的裂缝自动扩展模拟方法，旨在避免裂缝扩展过程中有限元网格的不断剖分，提高计算效率和精度。
1 虚拟裂缝模型在混凝土宏观裂缝前端存在一个微裂缝区，随着荷载的增加在自由裂缝和微裂缝之间存在裂缝的亚临界扩展。
裂缝的亚临界扩展和微裂缝区合称为断裂过程区。
断裂过程区的存在减小了材料刚度，削弱了材料本身应力传递能力，这种现象就是混凝土的软化特性。
虚拟裂缝模型把裂缝分解为两部分：真实物理裂缝和虚拟裂缝。
前者表征宏观自由裂缝，裂缝面上不传递任何应力，而后者将带状裂缝区简化为一条分离裂缝，即虚拟裂缝。
虚拟裂缝面上可以传递应力，其上某点应力的大小与该点裂缝面的张开位移 之间存在确定的关系。
虚拟裂缝模型通过非线性断裂过程区在混凝土类准脆性材料的断裂分析中引入了基于应变软化机理的非线性本构模型，合理有效地对裂缝由微裂纹向宏观裂缝发展进行了描述，并且虚拟裂缝还表征了由于裂缝张开而出现的非线性连续位移。
裂缝张开位移与拉应力的软化关系是虚拟裂缝的核心内容。
为了数值计算的方便，一般将软化曲线简化成图1示的单直线模型或双直线[2]模型。
基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟一、本文概述随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的不断完善，数值模拟已成为工程领域中研究和解决实际问题的重要手段。
ABAQUS作为一款功能强大的有限元分析软件，被广泛应用于各种复杂工程问题的模拟分析中。
本文旨在利用ABAQUS软件中的纤维梁单元，对钢筋混凝土柱在受力作用下的破坏全过程进行数值模拟，以期更深入地理解钢筋混凝土柱的受力性能，为实际工程设计和施工提供理论支撑和参考依据。
具体而言，本文将首先介绍钢筋混凝土柱的基本构造和受力特点，阐述钢筋混凝土柱破坏过程的复杂性和重要性。
将详细介绍ABAQUS软件及其纤维梁单元的基本原理和适用范围，说明选择纤维梁单元进行数值模拟的原因和优势。
接着，本文将构建钢筋混凝土柱的数值模型，包括材料本构关系的确定、单元类型的选择、网格划分以及边界条件和荷载的施加等。
在此基础上，将进行钢筋混凝土柱在不同受力情况下的数值模拟，分析钢筋混凝土柱的受力响应、裂缝开展、破坏模式以及承载能力等方面的变化。
本文将总结数值模拟的结果，并与实验结果或已有研究成果进行对比验证，评估数值模拟的准确性和可靠性。
通过本文的研究，不仅可以更深入地了解钢筋混凝土柱的受力破坏全过程，还可以为类似工程问题的数值模拟提供有益的参考和借鉴。
本文的研究成果也有助于推动数值模拟技术在土木工程领域的应用和发展。
二、钢筋混凝土柱受力破坏机理分析钢筋混凝土柱的受力破坏是一个复杂的过程，涉及到材料的非线性、几何的非线性以及接触和边界条件的复杂性。
通过数值模拟来研究其受力破坏的全过程显得尤为重要。
在受力初期，钢筋混凝土柱主要承受弹性变形。
此时，混凝土和钢筋均处于弹性工作状态，应力与应变之间呈线性关系。
随着荷载的增加，混凝土开始出现裂缝，裂缝的扩展和分布受到钢筋的约束作用，形成了一种复杂的应力传递机制。
钢筋通过裂缝与混凝土之间的粘结力传递应力，有效地延缓了裂缝的进一步发展。
水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法是为了评估混凝土的流动性和塑性变形能力的重要试验。
坍落扩展度是混凝土坍落塔中沉淀高度的差值，是衡量混凝土流动性和塑性变形能力的主要指标之一。
扩展时间是混凝土从塔中排出完全到停止流动所经历的时间。
本文将介绍水泥混凝土坍落扩展度及扩展时间试验方法的具体步骤和注意事项。
一、实验设备和试验材料1.带刻度的坍落塔：坍落塔通常由透明塑料材料制成，塔内设有刻度线，便于观察混凝土沉淀高度。
2.平底容器：用于接收从坍落塔中流出的混凝土。
3.平整的工作台和振动台：用于逐渐振动坍落塔，使混凝土坍落到最低点或不发生明显变化。
4.混凝土搅拌机和振捣器：用于制备试验混凝土。
5.砂浆棒和刮板：用于搅拌混凝土和平整表面。
二、试验过程1.混凝土制备：按照设计要求配制混凝土，搅拌均匀后加入试验塔中。
注意确保混凝土的均匀性和密实度。
2.坍落扩展度的测量：(1)在平整的工作台上放置坍落塔，并在塔内部放置标定尺，使尺口与塔底齐平。
(2)将混凝土充满坍落塔，搅拌棒插入中央，顺缓抽出并割平混凝土表面，使其平整。
(3)慢慢提起坍落塔，使其与工作台分开，观察混凝土沉降后的高度差，即为坍落扩展度。
3.扩展时间的测量：(1)将坍落塔放置在振动台上，并打开振动台。
振动时间设定为20秒。
(2)开始振动后，监测混凝土沉降高度的变化。
当混凝土完全停止流动并沉降到一个相对稳定的高度时，即为扩展时间。
(3)停止振动，记录下扩展时间。
三、试验注意事项1.混凝土的制备过程中，注意控制水灰比和搅拌时间，确保混凝土的质量和均匀性。
2.坍落塔要保持干净，并在试验前用湿布擦拭干净，以避免因污染而影响试验结果。
3.在进行扩展时间试验时，振动时间和振动幅度要统一，并根据需要进行调整。
4.在进行试验过程中，要保持试验环境的恒温恒湿，避免外界因素对试验结果的影响。
5.进行多次重复试验，并取平均值，以提高试验结果的准确性和可靠性。
荷载-环境耦合作用下结构裂缝模拟综述发表时间：2018-07-09T11:33:20.187Z 来源：《基层建设》2018年第12期作者：吴强强[导读] 摘要：对在役钢筋混凝土桥梁进行分析，需要考虑荷载-环境的耦合作用。
浙江交工集团股份有限公司浙江杭州 310051摘要：对在役钢筋混凝土桥梁进行分析，需要考虑荷载-环境的耦合作用。
荷载-环境耦合作用下，对结构刚度下降的分析，除了需要考虑钢筋锈蚀外，还需要结构裂缝的萌生和扩展进行分析。
采用断裂力学模型只能对已有或者预设的裂缝进行扩展计算。
但在实际结构中，裂缝并非预设，需要对裂缝萌生位置进行判断。
关键字：在役钢筋混凝土桥梁；荷载-环境耦合作用；钢筋锈蚀；裂缝1 引言桥梁是交通设施的重要组成部分，随着中国经济的飞速发展，国家对基础设施的建设投入必然会越来越大，新桥在不断建设中，新老桥梁同时存在，出现了桥龄分布较广的现象。
老桥在环境和荷载的耦合作用下出现大量裂缝导致正常使用状态或承载能力极限状态不再满足要求等原因。
对在役钢筋混凝土桥梁进行分析时，需要对荷载-环境的耦合作用下钢筋混凝土结构裂缝萌生和发展进行综合研究。
2 荷载-环境耦合作用下结构裂缝模拟2.1 钢筋混凝土结构裂缝模型荷载-环境耦合作用下，除了钢筋锈蚀导致钢筋本身直径减小以及钢筋-混凝土界面粘结性能下降带来的结构刚度减小外，裂缝的萌生和扩展也会使结构的刚度减小。
目前，在有限元计算中常用的裂缝模型主要有分离裂缝模型（Discrete crack model），弥散裂缝模型（Smeared crack model）以及断裂力学模型（Fracture mechanics model）[1]。
近年来，随着断裂力学的发展，断裂力学裂缝模型研究较多，虚拟裂缝模型（Fictitious crack model）[2]和钝带裂缝模型（Crack band model）[3]分别是其中的代表。
Ingraffea A R等[4]通过对裂缝尖端附近网格重划分的方法，在传统有限元中采用分离式裂缝模型对裂缝的扩展进行了模拟。
1钢筋混凝土开裂模拟一、问题的描述假定某混凝土开裂后的抗拉强度为零，在纯弯矩M 的作用下，钢筋界面面积为s A 时，通过有限元的计算来模拟钢筋混凝土梁底部裂缝开展、钢筋的最大拉应力和混凝土的最大压应力。
（1）材料性能混凝土：31020⨯=E ，0=cr σ，0=υ。
钢筋：310300⨯=E ，0.3=υ。
（2）截面尺寸梁宽10=b ，梁高12=h ，钢筋面积0.3=A 。
作用荷载：纯弯矩1000=M 。
注意：以上数值没有给出单位，在ANSYS 中，只要单位统一即可。
二、命令流FINISH/CLEAR,NOSTART/TITLE,Crack/NOPRKEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,1/COM, Structural!前处理/PREP7wid=10 !定义常数hei=12dep=3are=0.3od=2wall=1mm=500ex1=20e3ex2=300e3pr1=0pr2=0.3ET,1,SOLID65 !定义单元KEYOPT,1,5,2ET,2,LINK8ET,3,PIPE16R,1, , , , , , , !定义实常数R,2,are, ,0R,3,od,wall, , , , ,MP,EX,1,ex1 !定义材料属性MP,PRXY,1,pr1TB,CONC,1,1,9,TBDA TA,,,,,-1,,MP,EX,2,ex2MP,PRXY,2,pr2BLC4, , ,wid,hei,dep !建模/VIEW, 1 ,1,1,1/ANG, 1/REP,FASTTYPE, 2 !划分网格MA T, 2REAL, 2LPLOTLSEL,,LINE,,9,10LESIZE,ALL, , ,1, , , , ,1LMESH,ALLALLSELTYPE, 3MA T, 1REAL, 3LSEL,,LINE,,6,8,2LESIZE,ALL, , ,4, , , , ,1LMESH,ALLALLSELTYPE, 1MA T, 1REAL, 1LSEL,S,LOC,X,0.1,wid-0.1LESIZE,ALL, , ,1, , , , ,1ALLSELMSHAPE,0,3DMSHKEY,1VMESH,ALLFINISH/PREP7CE,1,0,4,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,-3, !建立约束方程CE,2,0,6,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,-1.5,CE,3,0,8,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,1.5,CE,4,0,5,UZ,1,7,UZ,-1,7,ROTX,3,2CE,5,0,1,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,-3,CE,6,0,12,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,-1.5,CE,7,0,10,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,1.5,CE,8,0,9,UZ,1,11,UZ,-1,11,ROTX,3,FINISH!加载与求解/SOLNSEL,S,LOC,Z,0 !定义约束D,ALL,ALLALLSELNSEL,S,LOC,Z,depD,ALL,ROTYD,ALL,ROTZALLSELF,7,MX,mm !施加荷载F,11,MX,mmNSUBST,5,0,0AUTOTS,1SOLVEFINISH!后处理/POST1SET,LAST*GET,SCON,NODE,17,S,Z !列表显示钢筋抗拉应力和混凝土抗压应力数值ETAB,ST,LS,1ESORT,ST*GET,STL,SORT,,MAX*status,parm/EFACET,1 !显示Z向单元应力变形图PLNSOL, S,Z, 0,1.0PLDISP,2/DEVICE,VECTOR,1 !显示混凝土开裂图PLCRACK,0,0SA VEFINISH3三、模拟结果图1、钢筋的抗拉应力和混凝土的抗压应力数据图2、Z方向的单元应力变形图43、混凝土开裂情况5。
科技信息0.前言混凝土是典型的非均匀材料，其内部有宏观的缺陷如裂纹、夹渣、气泡、孔穴等。
混凝土的强度、变形和破坏性能等都与其内部结构及裂缝的扩展有关。
混凝土破坏是由于体系中潜在的各种缺陷引起的，其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通，直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳破裂的过程[1]。
研究混凝土材料的断裂过程及其宏观力学性能有利于认识混凝土断裂破坏机理，为混凝土结构体系的数值仿真分析提供力学依据。
国内外学者提出了很多研究混凝土断裂破坏的数值方法，包括流形元法[2]、边界元法[3]、分形几何法[4]、无网格法[5]、有限元法[6]等等。
这些非连续介质数值计算方法由于其各自的缺陷，如网格重划分问题，计算效率问题等因素限制了其发展。
1999年，美国西北大学以Belytschko 教授为代表的研究组提出了一种在常规有限元框架内求解不连续问题的扩展有限元法，该方法在短短的十年内得到广泛的应用。
Ted Belytschko 等[7]采用XFEM 和水平集模拟了弹塑性介质中的动态裂纹扩展问题，数值模拟和试验结果一致。
Moes 等[8]利用XFEM 进行细观结构的多尺度分析，他们认为，虽然计算中网格不需要与物理表面一致，但仍需要细到足以捕捉这些表面的几何特征。
张晓东[9]用扩展有限元法结合虚拟裂缝模型对单向拉伸混凝土板和三点弯曲混凝土梁进行开裂过程模拟，重点考察初始裂纹长度、混凝土断裂对混凝土板和梁开裂特性的影响。
应宗权[10]等为了简化颗粒增强复合材料的单元划分问题，利用水平集函数来表征夹杂材料的几何界面，从而使得有限元网格的划分无需与材料细观结构的内部边界相协调。
本文首先介绍扩展有限元法的基本原理，给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法，最后采用扩展有限元模拟了混凝土单轴拉伸的细观断裂破坏过程，展示扩展有限元在混凝土断裂问题研究中的独特优势。
1.扩展有限元基本原理扩展有限元（XFEM ）是基于单位分解的思想在常规有限元位移模式中加进一些特殊的函数，即跳跃函数和裂尖渐近位移场，从而反映裂纹的存在。
重力坝开裂过程扩展有限元数值模拟靳旭;董羽蕙【摘要】扩展有限元法(XFEM)是一种求解不连续问题的数值方法.它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点,在模拟裂纹扩展、界面、复杂流体等不连续问题时特别有效,近十多年得到了快速发展.介绍了XFEM的基本原理,给出了进行混凝土裂纹扩展分析的方法.利用XFEM模拟混凝土重力坝裂纹扩展,通过对比有、无裂纹情况下的重力坝应力分布,分析裂纹存在对重力坝应力场分布的影响；分析裂纹扩展受网格疏密程度的影响；计算在不同岩基弹性模量下裂纹的扩展方向.%Extended finite element method(XFEM)is a numerical solution for analyzing discontimuity problem . It inherited all the advantages of the conventional finite element method (CFEM) , in the simulation of crack extension , interface, complex fluid and other discontinuities are particularly effective , in the past decade it has been rapid development. The basic theory of XFEM in introduced and the method of analyzing concrete fracture is presented. The XFEM is utilized to simulate the crack propagation in concrete gravity dam. By the contrast of stress distribution under no crack and crack circumstance of gravity dam the discipline of stress field distribution is analyzed; It is also used for influence of mesh density to crack propagation and is calculated the crack propagation direction in batholith elastic modulus.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)033【总页数】6页(P9100-9104,9109)【关键词】重力坝;扩展有限元法;裂纹扩展;网格疏密;弹性模量【作者】靳旭;董羽蕙【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TV313;TV642.3实际工程中，无论采用多么严格的裂缝控制措施，混凝土结构仍然会带裂缝工作。
