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混凝土细观力学研究进展综述共3篇混凝土细观力学研究进展综述1混凝土作为一种重要的基础建材，其力学性能的研究一直是混凝土材料科学领域的重要研究内容。
近年来，随着人们对工程结构安全性的要求越来越高，混凝土细观力学研究在材料科学领域变得越来越重要。
混凝土细观力学研究的基本思路是将混凝土看成是由一系列的微观单元构成的，通过对这些微观单元的力学响应进行分析、研究和计算，以揭示混凝土的力学性能。
混凝土的微观单元主要包括水泥石、骨料、孔隙等，因为这些单元的形态、大小和分布等因素会影响混凝土的宏观力学性能。
混凝土细观力学研究的核心问题之一是混凝土的力学损伤与破坏。
在混凝土中，由于微观单元之间的相互作用和外部加载作用等因素，混凝土可能发生微裂纹、裂缝扩展、局部破坏等过程，这些过程将直接影响混凝土的宏观力学性能。
因此，深入研究混凝土力学损伤与破坏机理，对于深入理解混凝土的力学性能、提高混凝土的力学性能具有重要意义。
近年来，混凝土细观力学研究在许多方面取得了重要进展。
首先是在混凝土力学损伤与破坏机理的研究上，在微观单元尺度上，人们通过数值模拟、实验研究等手段，发现混凝土的破坏过程是由微裂纹、裂缝扩展到宏观破坏的连续过程，其中裂缝扩展是破坏过程中最主要的损伤形式。
其次，在混凝土本构关系的研究上，人们根据微观单元的力学响应，通过多尺度分析方法建立了混凝土的本构关系，这对于混凝土宏观力学性能的计算和分析具有重要意义。
此外，混凝土的疲劳损伤与寿命研究、混凝土在高温下的性能等也是混凝土细观力学研究领域中重要的研究方向。
总的来说，混凝土细观力学研究在深入理解混凝土力学性能、提高混凝土工程结构安全等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
未来，混凝土细观力学研究领域需要继续深化相关理论和数值模拟技术，探究混凝土的力学性能与微观单元结构的关系，为混凝土工程结构的优化设计和施工提供更加精准的理论基础。
混凝土细观力学研究进展综述2随着现代科技和工程实践的发展，混凝土作为一种最基础的建筑材料，已经被广泛应用于建筑结构和基础工程中。
2005年7月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第36卷 第7期收稿日期:2004209210作者简介:马怀发(1962-),男,山东人,副教授,主要从事计算力学数值方法和水工结构抗震研究。
E 2mail :mahuaifa @ 文章编号:055929350(2005)0720846207细观结构不均匀性对混凝土动弯拉强度的影响马怀发1,2,陈厚群2,黎保琨1(11北京工业大学,北京 100044;21中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京 100044)摘要:本文在随机骨料模型的基础上,提出了既能反映混凝土骨料分布随机性又能反映混凝土细观各相材料力学特性随机性的随机骨料随机参数模型。
利用该模型并考虑材料的细观力学的应变率效应,对湿筛混凝土和全级配混凝土梁进行了三分点冲击弯拉断裂数值模拟,分析了混凝土材料参数的离散性、混凝土级配以及初始静预载水平对其动弯拉强度的影响。
研究表明:(1)随混凝土材料的弹性模量和抗拉强度的离散性增大,静弯拉强度和动弯拉强度降低,但动弯拉强度增强系数得到提高;(2)一定条件下全级配的混凝土梁的动弯拉强度增强系数高于湿筛混凝土梁的动弯拉强度增强系数;(3)为了更准确地确定动弯拉强度增强系数,应该考虑混凝土级配和初始预静载水平所产生的应变率效应对其的影响。
关键词:细观力学;混凝土;应变率效应;动弯拉强度;不均匀性;随机骨料随机参数模型中图分类号:T V313文献标识码:A 在强震作用下,由于坝体横缝的反复开合,使作为整体结构时动态响应最为显著的坝体上部拱冠附近的拱向应力大为减弱,而坝体沿坝基交结面附近成为抗震薄弱部位。
在强震时坝体薄弱部位主要因坝体混凝土的动弯拉应力引起开裂,因此,动弯拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。
有关试验研究发现[1～7],应变率效应是固体材料的基本特性,而不均匀材料率效应较均匀材料明显;混凝土强度对加载过程有高度的敏感性;静态与动态加载到同样的荷载水平,试件所产生的损伤积累不同,而应变率效应受材料损伤的影响;混凝土拉、压的率效应基本相同;混凝土的弹性模量随应变率的增大也会增加,但没有强度增加明显。
《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》篇一一、引言混凝土作为建筑结构的主要材料，其力学性能的研究对于保障建筑安全具有重要意义。
混凝土损伤力学行为的研究是该领域的重要方向之一，而基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究更是近年来研究的热点。
本文旨在通过建立三维细观模型，对混凝土损伤力学行为进行深入研究，以期为混凝土结构的设计和施工提供理论支持。
二、混凝土三维细观模型的建立建立混凝土三维细观模型是研究混凝土损伤力学行为的基础。
该模型应包含混凝土的基本组成成分，如骨料、砂浆和气孔等。
在模型中，需要考虑到各种组成成分的形状、大小、分布和排列方式等因素，以及它们之间的相互作用关系。
目前，随着计算机技术的不断发展，通过数值模拟方法建立混凝土三维细观模型已成为可能。
在建立混凝土三维细观模型时，需要考虑到模型的尺度问题。
由于混凝土结构的尺度较大，因此在建模时需要选择合适的尺度范围。
同时，需要考虑模型的精细度问题，即在保证计算效率的同时尽可能地提高模型的精度。
三、混凝土损伤力学行为的研究方法混凝土损伤力学行为的研究方法主要包括实验研究和数值模拟两种方法。
实验研究可以通过对混凝土试件进行加载、卸载等操作，观察其力学性能的变化，从而得出混凝土的损伤规律。
而数值模拟则可以通过建立混凝土三维细观模型，利用有限元等方法对混凝土进行力学分析，从而得出混凝土的损伤情况。
在研究混凝土损伤力学行为时，需要考虑到混凝土的多种因素，如骨料类型、砂浆性质、气孔分布等。
因此，在实验研究和数值模拟中，需要设计多种方案，以全面了解混凝土的损伤规律。
四、基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究，可以通过对模型进行力学分析，得出混凝土的损伤情况。
在分析过程中，需要考虑到混凝土的多种因素，如骨料形状、大小和分布，砂浆的强度和弹性模量等。
同时，还需要考虑到混凝土的应力状态、加载速率等因素对损伤的影响。
在研究中，可以采用有限元等方法对模型进行力学分析。
混凝土损伤本构理论研究综述何建涛;马怀发;陈厚群【摘要】首先论述混凝土本构模型研究的重要性,并说明损伤力学理论较适于构建混凝土本构模型;然后对损伤变量的定义、损伤演化方程的确定、损伤本构模型的建立以及如何考虑不可恢复变形与率效应进行较为详细的论述;最后就混凝土损伤本构模型的发展方向提出了看法.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2010(030)003【总页数】6页(P89-94)【关键词】混凝土本构模型;损伤力学;率效应;综述【作者】何建涛;马怀发;陈厚群【作者单位】中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京,100048;中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京,100048;中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京,100048【正文语种】中文【中图分类】TV431混凝土由于具有抗压强度高、耐久性好、适应性强、能够和钢筋较好地共同工作等优点,在很多领域得到了广泛应用。
混凝土的力学性能受很多因素影响,非常复杂,目前主要采用试验和数值模拟2种方法进行研究。
在数值模拟方法中,有限元法由于其适用性强而最为常用。
然而,在采用有限元法研究混凝土结构的力学性能时,不可避免地会遇到一个问题,即如何构造合理的混凝土本构模型和相应的破坏准则。
目前,混凝土本构模型的研究主要采用弹性力学理论、塑性力学理论、内蕴时间理论、断裂力学理论、损伤力学理论以及上述理论的组合[1-3]。
混凝土材料的性能在很大程度上取决于其内部微裂缝。
在荷载作用下,混凝土内部的微裂缝会扩展和汇合,最后形成宏观裂缝,导致强度、刚度等性能的劣化甚至材料的破坏,即材料发生损伤。
而损伤力学正是研究材料损伤的物理过程及其对材料行为影响的一门固体力学分支学科。
根据特征尺度和研究方法,损伤理论分为微观、细观和宏观损伤理论[4]。
其中,微观、细观损伤理论的研究虽已取得一定进展,但要实际应用尚存在相当难度,仍需进一步研究。
宏观损伤理论(又称连续损伤力学或唯象损伤力学)假定材料均质、裂缝均布、损伤非局部,基于连续介质力学和不可逆热力学,在本构模型中引入损伤变量表征微观缺陷对材料宏观力学性质的影响,构造带有损伤变量的本构模型和损伤演化方程来真实地描述受损材料的宏观力学行为,通过试验拟合有关材料参数。
基于细观力学的混凝土性能数值模拟研究的开题报告一、研究背景混凝土是目前世界上最为普遍使用的建筑材料，其优良的物理性能和广泛的使用领域在现代建筑中起着重要的作用。
然而，混凝土在长期使用过程中，由于环境因素和荷载的作用，会出现裂缝、龟裂和变形等问题，甚至会导致其结构的破坏。
因此，建筑业界对于混凝土性能的研究和预测具有重要的意义。
目前，基于细观力学理论的数值模拟已成为混凝土材料性能研究的主要手段之一。
该方法通过分析混凝土的基本结构单位——典型的砂粒、水泥石和孔隙等微观单元，得出了混凝土在不同荷载作用下的强度、变形和破坏特性等。
然而，由于混凝土本身的非线性、随机性以及不均匀性等特性，该方法的精度和准确性还有待进一步提高。
二、研究内容本文旨在基于细观力学理论，通过数值模拟的方法，对混凝土的性能进行研究和预测。
具体地，研究内容包括以下方面：1. 建立混凝土的微观结构模型，对混凝土的基本结构单位——砂粒、水泥石和孔隙进行建模，分析其几何形态和物理特性。
2. 利用细观力学理论，建立混凝土的力学模型，研究混凝土在不同荷载作用下的强度、变形和破坏特性等。
3. 考虑混凝土本身的非线性、随机性以及不均匀性等特性，对模型进行修正和改进，提高模拟的精度和准确性。
4. 验证模型的准确性和可靠性，通过实验和现场观测数据进行对比和分析，为混凝土结构的设计和监督提供科学依据。
三、研究意义1. 通过对混凝土的微观结构进行建模，可以深入理解混凝土的力学性能和特性，为混凝土结构的设计和优化提供科学依据。
2. 基于细观力学理论的数值模拟方法具有高效、经济、精确的特点，在混凝土性能研究和预测中具有广阔的应用前景。
3. 本研究的成果可以为混凝土结构的监督和维护提供重要的参考依据，为建筑工程质量的提高做出贡献。
四、研究方法和步骤1. 收集混凝土微观结构的相关文献和数据，建立混凝土的微观结构模型。
2. 基于微观结构模型，建立混凝土的力学模型，考虑混凝土的非线性、随机性以及不均匀性等特性。
基于细观力学理论的混凝土力学性能研究【中文摘要】对混凝土力学性能的研究主要还是建立在宏观的力学实验基础之上,通过对混凝土宏观力学性能指标的观测对比,定性地分析混凝土微结构的形成对混凝土宏观力学性能的影响。
缺乏理论的推导和分析,难以建立两者之间的量化关系。
而数值分析研究则是具体题目具体分析,也无法建立混凝土微结构参数与其力学性能之间的量化关系。
细观均匀场理论在猜测刚度性质方面能得到理想的结果,并能给出各相均匀应力与微结构参数的解析关系式,然而在强度分析方面精度不够。
而目前的各种强度理论固然能够给出混凝土在复杂应力状态下的强度破坏准则,但强度理论的给出要么是通过试验数据的拟合得出要么是通过理论假设结合少量试验点推导得出,无法反映细观结构参数对混凝土强度的影响。
本文采用细观力学均匀场理论与弹性理论相结合来研究平面题目下混凝土的微结构与其力学性能之间的量化关系。
首先在考虑界面过渡区的情况下建立混凝土三相细观力学模型;运用弹性理论计算在外载荷作用下混凝土单元块的各相应力应变;运用均匀场理论计算宏观载荷作用下水泥浆体的均匀应力;最后以水泥浆体的均匀应力作为混凝土单元块外场力,结合弹性理论基本解同时在考虑混凝土内约束的作用下给出了以混凝土中骨料的体积分数及两者弹性模量比为变量参数的混凝土早期裂缝判定准则。
通过算例的理论解与数值解的对比分析表明该准则具有一定的工程实用价值。
');【Abstract】 The experiment investigation of the concrete mechanical properties qualitative analyzes the relationship between the micro-structure and the macro-mechanical properties, through the contrastof the targets of the macro-mechanical properties. Because of thelack of, it is difficult to establish quantitative relations between them. And numerical analysis can only analyze specific matters, also can not set up the quantitative relations between the mechanical properties and the parameters of the micro-structure. By using averaging theories, though stiffness of concrete can be got perfectly, and the formula which reflect the relations between the uniformstress and the micro-structural can be got ,but the strength of concrete can not be got perfectly . Although the strength theoriescan give the criteria of intensity damage in the complex stress, but which also can not set up the quantitative relations between the parameters of micro-structure and the strength of concrete.In this***, the quantitative relations between the parameters of micro-structure and the mechanical properties of concrete are studied by using averaging theory and elastic theory .First of all, concrete three-phase micro-mechanics model is built .Then, the stress-filedand strain-filed of each phase are calculated .The average stress of cement phase is calculated by using dilute distribution method. And finally, the judge criterion about early crack appearing can be built with the dilute distribution result as the concrete unit\' s outsideforce. The comparative analysis of the theoretical solution and the numerical solution of an example shows that the judge criterion has value of using in the project.。
混凝土细观力学分析程序中的快速算法与并行算法设计吴建平;王正华;朱星明;马怀发;李晓梅【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2008(25)3【摘要】针对一套混凝土细观力学分析程序,在分析其计算方法与计算效率的不足之后,提出了采用稀疏矩阵与稀疏向量技术来高效实现有限元剐度矩阵装配过程的算法,并采用双门槛不完全Cholesky分解预条件技术与CG法相结合来高效地求解稀疏线性方程组.之后,从整体上提出了一个将有限单元分布与未知量分布有机结合的并行算法设计方案,并分别针对刚度矩阵装配、双门槛不完全Cholesky分解、稀疏矩阵与稠密向量相秉、稀疏向量相加等核心算法,进行了相应的并行算法设计.最后,在由每节点2 CPU的8个Intel Xeon节点采用千兆以太网连成的机群上,针对两个混凝土数值试样进行了数值实验,第一个试样含44117个网格点与53200个有限单元,第二个试样含71013个网格点与78800个有限单元;对第一个试样,原串行程序进行全程567次加载计算需要984.83小时约41天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到22531秒约6.26小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为3860秒约1.07小时.对第二个试样,原串行程序进行全程94次加载计算需要467.19小时约19.5天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到11453秒约3.18小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为1704秒约28.4分钟.串行算法的改进与并行算法的设计大大缩短了计算时间,对加快混凝土力学性能的分析研究具有重要意义.【总页数】7页(P352-358)【作者】吴建平;王正华;朱星明;马怀发;李晓梅【作者单位】国防科学技术大学,计算机学院,长沙,410073;国防科学技术大学,计算机学院,长沙,410073;中国水利水电科学研究院,北京,100044;中国水利水电科学研究院,北京,100044;装备指挥技术学院,北京,101416【正文语种】中文【中图分类】TU433【相关文献】1.混凝土静动力学分析数值模拟程序中的并行算法设计 [J], 朱星明;吴建平;马怀;涂彬2.基于并行计算的列车运行仿真快速算法设计 [J], 王志强3.基于AHB总线的快速并行CRC算法设计与实现 [J], 史兴强;刘梦影4.月面地形重构系统中的并行Delaunay算法设计 [J], 王喆;高三红;郑慧英;李立春5.快速球谐函数展开的并行算法设计及实现 [J], 王翔;宋君强;卢风顺;杨锦辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
混凝土细观力学研究进展及评述马怀发陈厚群黎保琨展，在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映出试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。
近十几年来，基于混凝土的细观结构，人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型，最具典型的有格构模型（Ｌａｔｔｉｃｅｍｏｄｅｌ）、随机粒子模型（Ｒ跚ｄｏｍｐａｒｔｉｃｌｅ啪ｄｅｌ）‘掣ＭｏｈａｍｅｄＡＲ【引等提出的细观模型、随机骨料模型（Ｒａｎｄｏｍａｇｇｌｌｅｇａｔｅｍｏｄｅｌ）及唐春安等人心８’２引提出的随机力学特性模型等。
这些模型都假定混凝土是砂浆基质、骨料和两者之间的粘结带组成的三相复合材料，用细观层次上的简单本构关系来模拟复杂的宏观断裂过程。
另外，文献［３０～３２］根据混凝土材料特性与分形维数的相关关系，运用分形方法定量描述了混凝土的损伤演化行为。
４．１格构模型格构模型将连续介质在细观尺度上被离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构系统，如图２。
每个单元代表材料的一小部分（如岩石、混凝土的固体基质）。
网格一般为规则三角形或四边形，也可是随机形态的不规则网格。
单元采用简单的本构关系（如弹脆性本构关系）和破坏准则，并考虑骨料分（ａ）格构杼件网络（ｂ）格构杆件属性布及各相力学特性分布的随机性。
计算时，图２格构模型在外载作用下对整体网格进行线弹性分析，计算出格构中各单元的局部应力，超过破坏阈值的单元将从系统中除去，单元的破坏为不可逆过程。
单元破坏后，荷载将重新分配，再次计算以得出下个破坏单元。
不断重复该计算过程，直至整个系统完全破坏，各单元的渐进破坏即可用于模拟材料的宏观破坏过程。
格构模型思想产生于５０多年前，当时由于缺乏足够的数值计算能力，仅仅停留在理论上。
２０世纪８０年代后期，该模型被用于非均质材料的破坏过程模拟ｎ８瑚’２１’３３。
６］’。
后来，ｓｃｈｌａｎｇｅｎＥ等人汹’２１’”“３将格构模型应用于混凝土断裂破坏研究，模拟了混凝土及其它非均质材料所表现的典型破坏机理和开裂面的贯通过程。
《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》篇一一、引言混凝土作为一种广泛应用于土木工程和建筑工程中的主要建筑材料，其损伤力学行为研究一直是学者们关注的重点。
在传统的研究方法中，大多数以宏观模型和理论进行解析，而忽视了对混凝土细观结构的理解与探究。
因此，基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究成为了该领域的研究热点。
本文将针对此问题进行深入研究，并从研究背景、意义及目的等方面进行探讨。
二、文献综述随着计算机技术的发展，三维细观模型在混凝土损伤力学行为研究中的应用越来越广泛。
国内外学者们通过建立三维细观模型，对混凝土在受力过程中的损伤、断裂等行为进行了深入的研究。
其中，学者们主要关注了混凝土内部的微观结构、材料性质、骨料分布等因素对混凝土损伤的影响。
同时，学者们还利用数字图像处理技术、有限元分析等方法对混凝土的三维细观模型进行了优化和改进，为后续的损伤力学行为研究提供了有力的支持。
三、研究方法本研究采用三维细观模型对混凝土损伤力学行为进行研究。
首先，通过数字图像处理技术获取混凝土内部的微观结构信息，并建立三维细观模型。
然后，利用有限元分析方法对模型进行计算和分析，探究混凝土在受力过程中的损伤、断裂等行为。
最后，结合实验数据对模型进行验证和优化。
四、研究结果通过建立三维细观模型，我们能够更深入地理解混凝土在受力过程中的损伤和断裂等行为。
首先，我们发现混凝土内部的微观结构对其损伤和断裂等行为具有重要影响。
骨料的分布、形状、大小等因素都会影响混凝土的强度和韧性。
其次，我们还发现混凝土的应力状态和应变历程也会对其损伤行为产生影响。
随着应力的增大和应变的累积，混凝土内部的裂纹逐渐扩展和连通，最终导致混凝土的破坏。
在利用有限元分析方法对模型进行计算和分析的过程中，我们发现了许多有趣的现象。
例如，在混凝土的裂纹扩展过程中，存在一种称为“应力重分布”的现象。
在裂纹扩展的初期，由于骨料的分布和形状等因素的影响，裂纹周围的应力会重新分布，使得裂纹的扩展方向和速度发生变化。
第2卷 第2期2004年6月中国水利水电科学研究院学报Journal of China Institute of Water Resources and Hydropo wer Research Vol .2 No .2June ,2004收稿日期:2003-12-12作者简介:马怀发(1962-),男,山东人,博士生,副教授,从事计算力学数值方法、水工结构抗震研究。
E -mail :mahuaifa @bjut .edu .cn文章编号:1672-3031(2004)02-0124-07混凝土细观力学研究进展及评述马怀发1,2,陈厚群2,黎保琨1(1.北京工业大学分部,北京 100044;2.中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京 100044)摘要:本文介绍了混凝土细观力学的研究方法,总结了到目前为止在细观层次上对混凝土实验研究和数值模拟的研究成果,详细分析讨论了格构模型、随机骨料模型和随机力学特性模型3种细观力学数值模型的优缺点。
目前混凝土细观力学的研究主要集中对细观数值模型的研究,已建立起来的细观数值模型仍待完善,同时尚缺乏系统的各相材料力学特性参数试验测定成果。
用细观力学数值模拟取代部分试验任务还要做很多工作。
关键词:混凝土;细观力学;数值模拟;试验研究中图分类号:TV313文献标识码:A1 引言混凝土是由水、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(如图1):(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 ～10-4c m 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。
当小于特征体积时,材料的非均质性质将会十分明显;当大于特征体积时,材料假定为均质。
有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应,这个特征体积的平均应力和平均应变的关系成为宏观的应力应变关系。
长期以来,人们对混凝土材料和构件宏观力学性能的劣化直至破坏全过程的机理、本构关系、力学模型和计算方法都非常重视,并且用各种理论和方法进行了研究。
为了研究其材料组织结构和裂缝的开展以及在单轴、双轴、三轴应力的作用与强度之间的关系,人们作了大量试验。
强度理论也从最简单的最大拉应力理论、最大拉应变理论,发展到单剪应力系列、八面体剪应力系列、双剪应力系列,直至现在的统一强度理论[1]。
关于混凝土本构关系的研究也有大量文献,概括起来混凝土本构关系模型[2,3]主要有以下三种:(1)弹性本构模型,包括线弹性和非线性弹性本构模型;(2)以经典塑性理论为基础的本构模型;(3)基于不可逆热力学的本构模型,包括内蕴时间模型和损伤力学模型。
对混凝土细观结构的研究表明,即使在加载以前,混凝土内部已有微裂缝存在。
这种微裂缝一般首先在较大骨料颗粒与砂浆接触面(粘结带)上形成,即所谓的初始粘结裂缝。
这是由于水泥砂浆在混—124—图1 混凝土的层次结构示意凝土硬化过程中干缩引起的。
砂浆和粗骨料接触面处是混凝土内部的薄弱环节,正是这种接触面导致混凝土具有较低的抗拉强度。
粘结裂缝的数量取决于许多因素,包括骨料尺寸及其级配、水泥用量、水灰比、固化强度、养护条件、环境湿度和混凝土的发热量等。
由于骨料和砂浆的刚度不同,在加载过程中,这种裂缝还将进一步发展,以致使混凝土在宏观上的应力应变曲线呈现出非线性。
不均匀性是混凝土材料的最本质的特点,微裂缝是决定其性能的主导因素。
材料和物理学家从微观的角度研究微缺陷产生和扩展的机理,但是所得结果不易与宏观力学量相关联。
而着眼于宏观裂纹分析的混凝土裂断力学理论和方法,主要研究裂纹尖端附近的应力场、应变场和能量释放率等,以建立宏观裂纹起裂、裂纹的稳定扩展和失稳扩展的判据。
但是断裂力学无法分析宏观裂纹出现以前材料中微缺陷或微裂纹的形成及其发展对材料力学性能的影响。
为了建立混凝土细微观结构各种缺陷及其特性的不均匀性与其在宏观力学特性的关系,自20世纪70年代末[4],人们发展了混凝土细观力学研究方法。
2 混凝土细观力学的研究方法细观力学将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥胶体以及两者之间的界面粘结带组成的三相非均质复合材料。
选择适当的混凝土细观结构模型,在细观层次上划分单元,考虑骨料单元、固化水泥砂浆单元及界面单元材料力学特性的不同,以及简单的破坏准则或损伤模型反映单元刚度的退化,利用数值方法计算模拟混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态,直观地反映出试件的损伤断裂破坏机理。
由于细观上破坏或损伤单元刚度的退化,使得混凝土试件所受荷载与变形之间的关系表现为非线性。
细观力学的研究需要将试验、理论分析和数值计算三方面相结合。
试验观测结果提供了细观力学的实物物性数据和检验判断标准;理论研究总结出细观力学的基本原理和理论模型;数值模拟计算是细观力学不可少的有效研究手段。
人们可以在细观层次上合理地采用各相介质本构关系的情况下,借助于计算机的强大运算能力,对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟,而且能够避开试验机特性对于试验结果的影响。
数值模拟可直观再现混凝土细观结构损伤和破坏过程。
当前混凝土细观力学数值模拟主要沿着两个方向进行:(1)将连续介质力学、损伤力学和计算力学相结合去分析细观尺度的变形、损伤和破坏过程,以发展较精确的细观本构关系和模拟细观破坏的物理机制;(2)基于对细观结构和细观本构关系的认识,将随机分析等理论方法与计算力学相结合去预测材料的宏观性质和本构关系,对混凝土试件的宏观响应进行计算仿真。
3 混凝土细观力学的试验研究随着自动控制系统和电液伺服加载系统在结构试验中的广泛应用,从根本上改变了试验加载的技术,由过去的重力加载逐步改进为液压加载,进而过渡到低周反复加载、拟动力加载以及地震模拟随机振动台加载等。
CT 扫描,微波内部成像,声发射以及光纤应变传感器等已应用于解决应力、位移、裂缝、内部缺陷、损伤及振动的量测问题[5～14]。
在试验数据的采集和处理方面,实现了量测数据的快—125—混凝土细观力学研究进展及评述 马怀发 陈厚群 黎保琨混凝土细观力学研究进展及评述 马怀发 陈厚群 黎保琨速采集、自动化记录和数据自动处理分析等。
与计算机联机的拟动力伺服加载系统可以在静力状态下量测结构的动力反应。
由计算机完成的各种数据采集和自动处理系统可以准确、及时、完整地收集并表达荷载与试件材料行为的各种信息。
试验的作用有两个方面:一方面,为细观数值模拟提供基础数据,包括试样组成材料的细观力学性质、试样的尺寸等;另一方面,检验数值模拟结果的可靠性。
在从细观层次入手进行混凝土的断裂过程模拟时,混凝土被视为由砂浆基质、粗骨料以及两者之间界面组成的复合材料,必须通过试验确定这三相组成材料的力学性质(包括弹性模量、强度、本构关系等),以此为基础才能进行混凝土试样的断裂过程模拟,但是模拟结果还必须与真实试件的宏观试验结果进行比较,以验证其正确性和适用性。
但在细观层次上,研究混凝土各相材料的试验资料并不多。
进行细观力学数值模拟试验要以基本试验数据为基础,数值模拟的结果最终还要得到宏观试验结果的验证。
作者所见的国内最早进行水泥浆体与骨料界面结合能力试验研究是同济大学的吴科如等人[15],文献[15]设计了4种结合类型,分别测定了大理石粗骨料与水泥浆体结合面的劈拉强度和断裂能,并讨论了增强硬化水泥浆体-粗骨料界面结合力对混凝土断裂能的影响。
刘光廷等[16]给出了粗骨料、水泥浆体及其结合面的抗拉强度、弹模等统计参数。
宋玉普[17]介绍了全级配混凝土试件进行的系列试验,研究了全级配混凝土试件单轴抗拉、抗压、襞裂抗拉和抗折的强度及变形等特性,对试件的破坏形态及裂纹传播路径等进行了统计处理。
van Mier J G M[18]Horsch T和Schlangen E[20,21]等[19]给出了混凝土三相组成材料的力学特性具有参考价值的试验资料。
文献[18]系统地讨论了混凝土单轴压、单轴拉,剪切(Ⅱ,Ⅲ及混合型)微裂缝产生、扩展过程和细观力学机制,研究了骨料尺寸、类型、水灰比、养护条件以及压板摩擦约束和刚度对试验结果的影响。
Hordijk D A[22]基于非线性断裂力学,比较系统地进行了素混凝土试件单轴拉伸和疲劳加载以及四点弯曲梁循环加载试验及数值模拟,绘出了应力变形全曲线,并总结了相应的本构关系。
应该指出,上述文献有关骨料、固化水泥砂浆基质的力学特性都有一些试验统计数据,而水泥骨料结合面力学特性指标的试验研究则较为少见。
组成混凝土各相材料的力学特性是进行数值模拟的基础。
为了获得这些基本参数,有针对性地进行试验,特别是对水泥骨料结合面的力学特性开展研究是必不可少的。
“九五”期间,中国水利水电科学研究院结合小湾高拱坝工程,进行了大坝全级配混凝土静、动态试件的试验研究[23]。
该项试验研究试件样本容量较少,但据此得出的初步结论表明:在与高拱坝长周期相应的加载速率下,全级配混凝土和湿筛混凝土的动态抗压强度及动态抗压弹性模量较静态值提高幅度不等,但都低于目前规范所规定的30%;在试验的加载速度下,全级配混凝土的动态弯拉强度和动态弯拉弹性模量较静态值提高幅度均低于30%。
另外,特别值得注意的是,具有初始静载试验的极限弯拉强度并不小于动态弯拉强度,不同初始静载对极限弯拉强度未见有不利的影响。
混凝土是一种多相介质的复合材料,其力学特性与所采用的水泥标号、骨料质量、水灰比、混凝土的配合比、制作方法、养护条件以及混凝土龄期等有关。
试验时采用的试件尺寸和形状、试验方法和加载速度不同,测得的数据也不同。
因此,深入系统地进行全级配大坝混凝土的静、动态试验研究,弄清全级配混凝土和湿筛混凝土的力学特性及其在不同初始静载时的动强度变化规律对高拱坝抗震设计是至关重要的。
这是我国强震区高拱坝抗震研究中的薄弱环节,急需加强。
