下载文档原格式
混凝土断裂过程区考虑应力—应变全曲线损伤的损伤模型摘要：由于微裂缝不断形成和扩展，在混凝土结构宏观裂缝前缘存在一定范围断裂过程区。
混凝土曲线中，应力达到峰值之前损伤较少，但也有一定影响，考虑全曲线损伤有一定的实际意义，基于虚拟裂缝模型，结合损伤力学，建立损伤模型，计算断裂过程区等效裂缝长度值及其相应的临界损伤度。
关键词:断裂过程区，损伤模型，损伤度，等效缝长。
Abstract: due to the constantly forming tiny cracks and expand, in the concrete structure crack front range, there are certain macro fracture process area. Concrete curve, the peak stress before less damage, but also have certain effects, considering all the curve is of certain practical significance damage, based on virtual crack model, combined with the damage mechanics, establish damage model, the calculation of fracture process area equivalent crack length value and corresponding critical degree Dl.Keywords: fracture process area, damage model, degree, equivalent seam long1引言本文以初始缝长的混凝土单轴拉伸构件为研究对象，考虑混凝土全曲线损伤的影响，基于虚拟裂缝模型[1]，分析该情况下形式的损伤演变方程和损伤模型，运用损伤力学理论推导断裂过程区[1[2]的等效裂缝长度及其相应的临界损伤度的计算公式。
大体积混凝土温度应力仿真分析与反分析共3篇大体积混凝土温度应力仿真分析与反分析1混凝土温度应力仿真分析与反分析混凝土结构是一种广泛应用的建筑材料，在工程领域中具有众多的优点，如耐久性和可靠性等。
在混凝土结构的设计和施工过程中，由于温度变化和荷载变化等因素的影响，混凝土结构受到应力的影响，其出现裂缝和变形等问题，影响混凝土结构的性能和使用寿命。
因此，混凝土结构的温度应力仿真分析和反分析对优化混凝土结构的设计和预测其受力性能具有重要意义。
本文将就混凝土温度应力仿真分析和反分析展开探讨。
一、大体积混凝土温度应力仿真分析（一）混凝土的应力分析理论混凝土是典型的非线性材料，其力学性能具有不确定性和复杂性。
在混凝土力学分析中，存在一些理论模型，如弹性模型、弹塑性模型、非线性弹性模型和本构模型等。
其中，本构模型是混凝土的典型力学模型，它能够更加精确地描述混凝土的力学性能。
本构模型主要包括两类：弹塑性本构模型和本构方程模型。
前者适用于已知加载路径的情况下，针对该加载路径进行应力-应变关系的力学分析。
而后者主要是根据经验公式或试验数据直接计算出混凝土的应力-应变关系。
（二）混凝土温度应力分析混凝土结构受到温度变化和荷载变化等因素的影响，在裂缝和变形等问题时，其受力性能会发生改变。
其中，温度是混凝土结构中的重要因素之一，它对混凝土结构的动态特性、热应力和循环性能等方面均有着显著的影响。
在混凝土温度应力分析中，需要考虑以下几个因素：1. 混凝土的热膨胀系数：混凝土在受到高温影响时，热膨胀系数会发生变化，从而影响混凝土的受力性能。
2. 热应力：热应力是指由于温度差异所引起的不均匀热膨胀而产生的应力。
3. 温度变化：温度变化会影响混凝土的受力性能和损坏机理，温度变化越大，混凝土内部的应力也会越大。
（三）混凝土温度应力仿真软件目前，混凝土温度应力仿真软件引入了有限元分析和计算流体力学等技术，既可以针对整个混凝土结构进行温度应力仿真分析，也可以对混凝土结构的某一部分进行局部分析。
大体积混凝土水化热温度应力裂缝控制的试验及有限元仿真分析摘要：现今大跨度和超高层建筑越来越多，大体积混凝土的水化热产生温度应力裂缝问题越来越受关注。
采用有限元法，数值模拟混凝土水化热实际工程，与实测试验进行比较和分析，探索一条经济、合理而又高效的混凝土水化热产生温度应力的预测方法。
通过数值仿真与现场监测结果对比分析显示，在混凝土水化热反应过程中，混凝土体内部温度变化成高度非线性，仅通过试验来评估温度应力裂缝控制方案，难度大而确定性和可靠度低；有限元仿真大体积混凝体水化热产生温度应力，仅存在较小的误差，仿真结果较为可信；且当控制方案不满足要求时，可根据上次仿真结果分析，找出不满足要求的关键因素，从而有针对性的提出优化和改进方案。
关键词：大体积混凝土；水化热；温度应力裂缝；有限元法；仿真技术0 引言为适应我国经济的快速增长，每年新建的超高层、大跨度建筑结构在不断增加，为满足上部结构承载要求，往往使用更大体积和更高强度钢筋混凝土，对建筑成本、施工工期、施工质量等提出更高要求，如：2004年北京电视中心工程综合业务楼[1]，建筑物高度达到259m，地下结构采用钢骨架钢筋混凝土结构和钢筋混凝土框架剪力墙结构，基础长88.2m，宽77.45m，底板厚度达到2m，混凝土浇灌量巨大，并且施工要求控制成本，降低施工难度，确保基础底板的整体性，即不留设任何施工缝和后浇筑带的情况下一次浇筑成型。
当前，对水泥混凝土材料硬化过程中产生的水化热量的研究已较为成熟[2]，如水泥水化反应主要矿物产生的热量，水化反应随时间变化产生的热量。
温度膨胀和扩散理论也相当成熟，自20世纪30年代修建美国的佛坝开始[5]，混泥土水化热所致温度应力裂缝引起相关学者的极大兴趣，大批量理论成果涌现，典型的有姜忠给出了混凝土浇筑计算体内外温差的计算方法[6]；阮静等[7]对高强度混凝土水化热进行了实时监测和理论分析，比较和分析了高强度混凝土与普通混凝土在绝热温升方面的区别，提出了高强度混凝土的温度控制标准；任铮钺等[8]进行了高掺量粉煤灰混凝土水化热的试验研究，分析了高掺量粉煤灰对混凝土水化热控制的影响，从而减少温度应力裂缝的产生；刘连新等[9]对高性能混凝土水化热试验进行试验研究，认为水泥用量非影响混凝土升温的唯一因素，低水胶比可以明显降低混凝土的总水化热。
大体积混凝土的三维有限元分析计算实例郭佳乐;温州【摘要】大体积混凝土施工,受力情况复杂,进行三维有限元分析计算十分必要.文章结合工程实例,通过有限元计算,对整个结构的受力进行全面的了解,可以检验目前施工方案布置的合理性、可靠性,并且通过ANSYSC程序进行有限元计算,为结构配筋、施工详图设计提供依据.【期刊名称】《黑龙江水利科技》【年(卷),期】2015(043)012【总页数】2页(P23-24)【关键词】大体积混凝土;三维有限元分析;ANSYS程序;单元;计算模型【作者】郭佳乐;温州【作者单位】黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨150080;黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TU755某水电站升船机渡槽段全长85.45m(0+115.500～0+200.950)，宽度20m(坝左0+175.400～坝左0+155.400)。
坝后厂房安装间顶板为1200圆弧拱(以下简称顶拱)，顶拱尺寸：半径R=22.805m，跨度为39.5m，高度为11.403m，拱顶高程为361.500m，两端与边墙相连，安装间地面高程为280.740m，安装间地面至拱顶的高度为80.760m。
顶拱混凝土浇筑期间下方坝后厂房安装间也在同时施工，为确保顶拱下方坝后厂房安装间施工的安全以及该坝段整体施工进度要求，厂房安装间顶拱混凝土浇筑施工(下称渡槽段封拱施工)拟采用预制混凝土模板的施工方案，以便底部厂房安装间施工的同时继续浇筑顶拱以上混凝土。
本工程进行了120°全拱预制混凝土模板、180度全拱预制混凝土模板及120°半拱预制混凝土模板等三种布置，并着重对120°全拱预制混凝土模板方案进行详细研究。
选定了预制混凝土模板、移动样架及下部安全网的结构型式、对结构的强度和刚度进行了分析计算。
渡槽段封拱施工为大体积混凝土施工，受力情况复杂，进行三维有限元分析计算十分必要。
超高性能混凝土细观毁伤有限元数值模拟及试验探究关键词：超高性能混凝土；细观有限元模型；力学性能；毁伤特性超高性能混凝土细观毁伤有限元数值模拟及试验探究引言超高性能混凝土由于其高强度、高流淌性、高耐久性等特性，近年来成为了建筑工程领域中备受关注的材料之一。
然而，超高性能混凝土的力学性能和毁伤特性对于其实际应用而言至关重要。
因此，本文旨在探究超高性能混凝土的力学性能及毁伤特性，为建筑材料领域的探究提供参考。
试验材料及细观有限元模型试验材料：本试验选取了一种常用的自然石英粉、高性能水泥、微细粉末等为主要原料，制备了一种超高性能混凝土材料。
细观有限元模型：本文构建了一个三维细观有限元模型，对超高性能混凝土的各向异性进行了分析。
在模型中，接受了非线性弹性理论和各向异性本构干系，思量了混凝土材料的各向异性和非线性变形特性。
试验方法试验包括压缩试验、拉伸试验和剪切试验。
在试验中，实行了标准试样制备方法和设备进行试验，记录了材料在不同荷载下的变形和应力等数据。
通过试验结果，探究了材料的应力-应变特性和毁伤行为。
结果分析通过试验数据，分析了超高性能混凝土的力学性能。
试验结果表明，所制超高性能混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度均高于平凡混凝土，并且具有较好的变形能力。
通过细观有限元模型的分析，得出了混凝土各向异性的分布和变化规律。
此外，试验还反映了超高性能混凝土的初始毁伤阶段和主要毁伤阶段的毁伤特点。
结论通过细观有限元模型和试验，探究了超高性能混凝土的力学性能和毁伤特性。
结果表明，所制超高性能混凝土具有高强度、高韧性、高耐久性等特性，可以广泛应用于各种建筑工程中。
但是，还需要进一步改善其力学性能和毁伤韧性，以满足复杂工程要求。
此外，还需要注意控制超高性能混凝土的生产过程，以确保材料的匀称性和一致性。
在实际施工中，也需要注意超高性能混凝土的施工工艺和保卫措施，以充分发挥其优异的性能。
另外，还有一些探究表明，通过添加纳米材料，如氧化硅、氧化铝等，可以进一步提杰出高性能混凝土的力学性能和耐久性。
第27卷第6期合肥工业大学学报(自然科学版)Vol.27No.6 2004年6月JOURN AL OF HEFEI U NIVERSITY OF T ECH NOLOGY Jun.2004大体积混凝土结构的损伤仿真有限元方程王向东, 徐道远, 邓爱民, 朱为玄(河海大学力学系,江苏南京 210098)摘 要:温度、自重、荷载和基础约束等因素都将导致混凝土材料产生损伤,即材料性能劣化,因而混凝土结构是一个随时间变化的损伤场。
因此,对大体积混凝土结构的损伤仿真分析非常必要,该文推导了混凝土结构三维损伤有限元方程,为混凝土结构的三维损伤仿真有限元计算奠定了基础,计算结果更加符合实际。
关键词:大体积混凝土结构;损伤;有限元方程;仿真中图分类号:TV315;O346.5 文献标识码:A 文章编号:1003-5060(2004)06-0627-04Three dimensional finite element equation of damage simulationof large concrete structuresWANG Xiang-dong, XU Dao-yuan, DENG Ai-m in, ZHU Wei-x uan(C ollege of Civil Eng ineering,Hohai Un ivers ity,Nanjing210098,Ch ina)Abstract:T he co ncrete construction is a damage field v arying w ith time for the temper ature,g ravity, load and the base constraint can result in the damag e of the concrete material,so it is necessary to carr y out the damage simulation o f concrete str uctures,especially the large co mplex co ncrete structures.In the paper,the3D finite element equation of damage simulatio n of concrete structures is deduced based on the introduction of the damage v ar iable and the calculatio n principle o f the stress field.A calculation example of an arch dam is presented,and the result is m uch more in agreement w ith the reality.T his study prov ides a basis for the3D damag e simulation of concrete structures. Key words:large concrete structure;damage;finite element equation;simulation在复杂而历时较长的施工期和运行期中,混凝土结构将受到温度、自重、外荷载(如水荷载等)、混凝土与基础的相互约束和新老混凝土的相互约束等因素的影响,这些因素都将导致混凝土材料产生损伤,即材料性能劣化,因而混凝土结构是一个随时间变化的损伤场。
随时间变化的损伤场的强度将直接影响到混凝土结构的工作性能。
目前对混凝土结构的应力场、位移场分析均不考虑混凝土材料的损伤,而将混凝土结构的混凝土当作无损伤材料处理。
混凝土结构特别是大体积混凝土结构的温度仿真分析一直受到工程人员的重视[1],但在仿真分析中也没有考虑混凝土性能随时间劣化的过程,即混凝土结构损伤产生和发展的过程,以及混凝土结构损伤对结构的应力场、位移场的影响,因此无法正确估计混凝土结 收稿日期:2003-03-18;修改日期:2003-09-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(59739180)作者简介:王向东(1965-),女,山西闻喜人,博士生,河海大学副教授;徐道远(1936-),男,浙江绍兴人,河海大学教授,博士生导师.构的使用寿命。
本文所推导的混凝土结构的三维损伤仿真有限元方程,对混凝土结构进行三维损伤仿真有限元计算,考虑了混凝土性能随时间劣化的过程,即混凝土结构损伤产生和发展的过程,以及混凝土结构损伤对结构的应力场、位移场的影响。
1 损伤变量D描述材料损伤状态的场变量就称之为损伤变量。
损伤变量的选择或是用物理微结构分析或直接结合试验结果来选择[2]。
拉博诺夫定义的损伤变量D是D=A*/A=(A-K~)/A(1)其中,A为初始横截面积;A*为受损后其损伤面积;K~为受损后其有效面积。
令 =F/A为横截面上的名义应力, ~=F/K~为净截面上的应力,称为有效应力。
于是有A= ~ K~和 ~= /(1-D)(2)根据应变等价原理,有= /E~= ~/E= /[(1-D) E](3)或 =E(1-D) (4) (3)、(4)式是一维问题中受损材料的本构关系。
令E~=E(1-D)为受损材料的弹性模量,称为有效弹性模量,得到D=1-E~/E(5) 在三维情况下各向异性损伤为一张量D,其在3个正交的主方向n i(i=1,2,3)上有3个对应的主值D i。
于是损伤张量可以写成下列的典范形式D= 3i=1D i n i n i (i=1,2,3)(6)损伤张量D的3个主值可以解释为损伤张量D的3个主平面上净面积的相对减少量或有效空隙密度。
2 考虑损伤的应力场计算原理在任一时段 t i,用增量初应变方法计算结构由各种因素引起的应力变化[3],即~i=Z( ,t)[ ~i- ~c i- ~t i- ~0i](7)其中, ~=[ x y z x y yz zx]T; ~=[ x y z xy yz z x]T; ~c i为徐变应变增量; ~t i为变温应变增量; ~0i为自身体积变形应变增量;Z( ,t)的表达式为Z( ,t)= +2G 000+2G 000+2G000000G000000G000000G(8)其中, = E([D( ,t)], )(1+ )(1-2 );G=E([D( ,t)], )2(1+ ); 为泊松比;[D( ,t)]为损伤变量矩阵。
E([D( ,t)], ,t)=E0([D( ,t)])(1-e a b)(9) 徐变度C( ,t)由徐变试验[4,5]测试得到,通过数学拟合,得到徐变度随时间的变化规律(通常采用四参数指数形式),有628 合肥工业大学学报(自然科学版) 第27卷C ( ,t )=(A 1+A 2A 3)[1-e -A 4(t - )](10) -c i =W -i (1-e -A 3 ti ) (i =1,2,3,…)(11)其中,W-i =[W x W y W z W xy W y z W z x ]i 。
W -i =W -i -1e -A 4 t i -1+(A 1+A 2 A 3i) -*i -1 (i =2,3,4,…)(12)W -1=(A 1+A 2 A 3o) -x (t 0)-*= 1- - 000- 1- 000- - 1000 0 0 02(1+ )00 0 0 002(1+ ) 0 0 02(1+ ) x y z xy yzz x(13)其中, i 为所考察的混凝土浇筑块在t i 时的龄期; 0(t 0)为t 0时刻的初应力; -t i 由不稳定温度场的计算结果求得; -c i 由混凝土徐变试验确定; -0i 由混凝土自身体积变形试验确定。
根据(9)式、几何方程和平衡方程,即可求出任一时间段 t i (i =1,2,3…)内的位移增量 i 、应变增量 -i 和应力增量 -i ,从而求出任意时刻的位移场和应力场。
3 三维损伤仿真有限元计算本文不考虑损伤对材料温度性能参数的影响,则温度场仿真有限元计算与以往的温度场计算方法相同。
考虑损伤的应力场有限元计算。
考虑到单元外力功[6]为W 1=( e )TRe (14)单元应力功为W 2=Ve( e )T ed V =Ve(B e )T ed V =Ve( e )T B T E [D ( ,t )] ed V(15)单元的有限元支配方程为K [D ( ,t )] =R e+(R t[D ( ,t )])e+(R c[D ( ,t )])e+(R o[D ( ,t )])e(16)整体支配方程K [D ( ,t )] =R +R t[D ( ,t )]+R c[D ( ,t )]+R o[D ( ,t )](17)仿真计算采用增量法。
将龄期分成若干时段,即E (D i , i )=12[E (D i -1, i -1)+E (D i , i)](18)该时刻位移增量可由下式求得K (D i , i ) i = R + R t(D i -1, i )+ R c(D i -1, i )+ R o(D i -1, i )求得 i 后,可根据 i =B i 得应变增量 i ,从而得i =ij =1( (D j , j )+ t (D j , j )+ c j (D j , j )+ 0(D j , j ))(19)又由D i =f ( i ),可求得D 。
由i =Z (D i , i )[ (D i , i )- t(D i , i )- c(D i , i )- 0(D i , i )]629第6期 王向东,等:大体积混凝土结构的损伤仿真有限元方程求出任一时刻的应力场i= ij=1j(20) 4 算例及结果依据以上三维损伤仿真有限元计算原理和方程,编制有限元程序即可对混凝土结构进行三维损伤仿真有限元计算,得到任意时刻的损伤场和应力场。
本文对某拱坝进行了损伤仿真计算,计算过程采用增量法,该坝混凝土的材料性能参数如表1所列,计算中的有关问题详见文献[7]。
计算结果如图1和图2所示。
表1 混凝土的材料性能参数混凝土种类弹性模量/GPa7d28d90d 泊松比容 重/(kN・m-3)抗拉强度/M Pa(90d)抗压强度/M Pa(90d)极限拉伸/10-6(90d)线膨胀系数/(×10-6℃-1)C2022.329.129.70.16724.2 3.1528.91019.52C2524.030.531.50.16724.0 3.2532.61119.22本文所推导的混凝土结构的三维损伤仿真有限元方程,对混凝土结构进行三维损伤仿真有限元计算,由于考虑了结构材料的性能劣化,计算结果将比以前不考虑损伤的仿真计算更加符合实际情况。
