钢筋混凝土结构中细观损伤演化的数值模拟研究

地震损伤钢筋混凝土构件修复加固试验及数值模拟我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)及老版本规范均明确规定“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标,对于“中震可修”情况, 如何采取合理有效、施工方便的修复加固技术是工程中须重点解决的问题。

钢筋混凝土梁柱是框架结构的重要组成部分, 其在中度水准地震作用下存在较高的破坏风险且经大量地震灾害分析表明, 建筑结构地震损伤破坏往往集中在构件端部,对其加固性能等的研究尚不充分。

本文通过试验研究、数值模拟及理论分析, 研究损伤、加固后的钢筋混凝土柱和梁端试件抗震性能、受力特性及加固构造措施, 为我国建筑抗震设计规范和混凝土结构加固规范的修订提供试验和理论基础,主要工作及成果包括:1) 设计并制作6根钢筋混凝土柱试件及6根钢筋混凝土梁端试件。

其中2根柱试件及 2 根梁端试件一次性加载至破坏, 采集试验数据作为对比试件。

其它试件进行损伤后加固。

第一步对原试件进行低周往复损伤试验; 第二步对损伤试件进行碳纤维加固和钢板加固, 再对加固试件进行低周往复试验。

柱试件的变化参数为轴压比与加固方式、梁端试件的变化参数为纵向钢筋配筋率与加固方式, 研究分析试件的滞回性能、骨架曲线、耗能、延性、刚度退化及破坏形态等抗震性能。

试验结果表明, 轴压比小的加固柱试件较轴压比大的加固柱试件耗能高; 采用碳纤维布加固后的受损梁端试件可以有效抑制塑性铰延展及混凝土的脱落破碎, 表现出较好的承载力、耗能能力及延性等抗震性能。

2) 受损试件的数值模型参数确定是建模分析的难点, 本文提出了基于截面刚度退化系数的“截面等效刚度” 方法与基于混凝土强度损伤系数的“截面承载力等效强度”方法,通过简化分析, 并将其用于试件数值模拟关键参数的确定, 结合采用ANSYS T限元程序，对不同方式加固的试件进行数值建模分析，结果表明，数值分析结果与试验结果吻合较好, 进一步验证了本文所建模型与关键参数确定的合理性和可信性。

第37卷第8期2018年8月娃酸 盐通报Vol. 37 No. 8 August, 2018BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY 基于脆性开裂模型的钢筋混凝土锈裂过程细观数值模拟吴萍1，杜坤，货、力、个，丨:丁、11? , m 街(1.浙江大学宁波理工学院，宁波315100 ;2.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074)摘要:基于混凝土脆性开裂模型，对钢筋混凝土锈胀开裂的演化过程进行了细观数值模拟。

模拟结果显示，脆性开裂模型可以使模拟结果生成裂纹分布图形，从而直观的表征锈胀裂缝的产生、扩展情况。

裂缝起裂位置垂直于最大位移加载方向，在最接近界面层的位置首先产生裂缝，并通过脆弱的界面层绕过骨料，向保护层边缘扩展，最终贯通保护层。

模拟结果与实测锈胀裂缝分布较为一致，表明基于脆性开裂模型的细观模拟计算可靠。

关键词:脆性开裂模型；锈胀开裂；裂纹演化；裂纹分布；细观数值模拟中图分类号：TU 528 文献标识码:A 文章编号:1001-1625(2018)08-2372-06Meso-scale Numerical Simulation of Corrosion Cracking Process ofReinforced Concrete Based on Brittle Cracking ModelW U Ping1，DU Kun1，2，XU Y i -dong1，CHEN W ei1，HU Lei 1，2Abstract ：Based on the brittle fracture model of concrete , the evolution of corrosion-induced crackingprocess of reinforced concrete is presented by the meso-scale numerical simulation . As is shown by thesimulation result , the brittle fracture model can generate the crack distribution pattern , which can visuallydescribe the formation and expansion of corrosion-induced cracking . The crack initiation position isperpendicular to the loading direction of the maximum displacement . At the location closest to theinterfacial layer , cracks are generated initially , and then through the fragile interface layer to bypass theaggregate , extending to the edge of the concrete cover , and finally through the concrete cover . Thesimulated results are in good agreement with the measured distributions of corrosion-induced cracks ,which shows that the mesoscopic simulation based on the brittle fracture model is reliable .Key words ： brittle fracture model ； corrosion-induced cracking ； cracking evolution ； cracking distribution ；meso-scale numerical simulation1引言混凝土结构的耐久性是国内外学术界与工程界关注的重大科技问题，而钢筋锈蚀则是引起沿海混凝土 结构耐久性能退化的最主要因素。

《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》一、引言混凝土作为一种广泛应用于土木工程中的重要材料，其损伤力学行为研究具有重要意义。

在以往的研究中，研究者们利用多种手段探索混凝土的力学特性与损伤机理，而随着计算机技术的不断发展，三维细观模型被广泛运用于混凝土材料的力学行为研究之中。

本文将针对基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为进行深入的研究，探讨其应用价值及发展前景。

二、混凝土损伤力学的理论基础混凝土损伤力学的理论基础主要涉及到材料科学、力学及土木工程等领域的知识。

混凝土的损伤行为主要包括内部微观结构的变化、裂缝的产生和扩展等过程。

传统的损伤模型大多采用宏观尺度进行研究，然而这些模型难以揭示混凝土在细观尺度上的损伤机理。

因此，三维细观模型的研究应运而生。

三、三维细观模型的应用三维细观模型是通过建立混凝土内部微观结构的数字化模型，从而实现对混凝土损伤行为的深入研究。

该模型能够详细地描述混凝土内部的孔隙、骨料、水泥浆等组成部分的形态和分布情况，为研究混凝土在受力过程中的损伤行为提供了有力的工具。

在应用三维细观模型进行混凝土损伤力学行为研究时，需要结合计算机技术进行模拟和计算。

通过输入不同的荷载条件，可以观察到混凝土内部的应力分布、裂缝扩展等情况，从而分析混凝土的损伤机理和破坏模式。

此外，还可以通过改变混凝土的配合比、骨料类型等因素，探讨这些因素对混凝土损伤力学行为的影响。

四、研究方法与实验设计在基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究中，首先需要建立精确的三维细观模型。

这需要利用高分辨率的图像处理技术和专业的建模软件，将混凝土内部的微观结构进行数字化建模。

在建立好模型后，可以通过有限元法、离散元法等数值计算方法，对模型进行荷载分析。

同时，结合实验设计，可以通过改变混凝土的配合比、加载速度等参数，研究这些因素对混凝土损伤行为的影响。

五、研究结果与讨论通过基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究，我们可以得到以下结论：1. 混凝土内部的微观结构对其损伤行为具有重要影响。

混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究近年来，混凝土是建筑物的主要材料，成数和性能与安全和美观性密切相关。

然而，随着应力的增加，混凝土的物理性能很容易受到破坏，受到变形、裂纹、开裂等意外破坏。

由于混凝土的组成复杂、力学性能不稳定，传统的受力分析和混凝土结构安全性分析方法难以准确预测混凝土承受拉力和支撑荷载的受力性能。

因此，由混凝土随机损伤本构关系（SDM）给出的屈服强度和变形模型，被认为是用于研究和分析混凝土受力性能的理想研究方法。

本文介绍了一种基于随机损伤本构的混凝土受力性能的数字模拟研究。

首先，根据多变量统计理论，建立混凝土综合受力性能评价函数，利用单向分析方法，确定混凝土不同破坏模式的屈服强度变化规律。

然后，研究了混凝土变形模型，采用随机损伤本构模型（SDM），将混凝土细节分解为模量和随机参数，建立混凝土变形模型。

最后，基于上述参数，采用数值模拟方法，分析混凝土受力性能变化，探索混凝土的性能参数变化规律，并分析不同参数的影响。

为了验证数值模拟结果的精确性，建立了一个实验，用来测试混凝土试体的力学性能。

实验中，制备了十块混凝土试块，用力学测试仪模拟，以正常温度及湿度状态，用静力拉伸及压缩测试来测量每块试块的拉伸强度和支撑荷载。

实验结果表明，实验测量值与数值模拟结果非常接近，证明了随机损伤本构模型的可靠性。

因此，通过本文的研究，可以确定混凝土受力性能的变化规律，研究可以为混凝土结构安全性评价提供有效的参考，有助于施工者根据不同类型混凝土，选择最优结构设计方案，确保施工安全，提高混凝土使用率。

总之，基于随机损伤本构的混凝土受力性能的数值模拟研究可以为混凝土结构的安全评估提供准确有效的参考。

使用这种研究方法可以更准确地预测混凝土结构的受力性能，提高施工的安全性和质量，为建设质量有效的混凝土结构提供支持。

基于CT图像的混凝土细观损伤数值模拟研究
周双双;刘京红;李兵兵;张仕桦;刘婷
【期刊名称】《混凝土与水泥制品》
【年(卷),期】2022()4
【摘要】针对混凝土细观损伤机理进行了研究,将混凝土看作由骨料、砂浆和孔隙组成的细观多相复合材料,通过CT技术对其单轴压缩损伤机制进行了分析,并对所得结果处理后通过MIMICS软件建立了相应三维细观模型,结合ABAQUS工具进行了数值模拟研究。

结果表明:数值模拟得到的混凝土损伤图可以较好地反映混凝土试件单轴受压的整个损伤过程;混凝土试件在单轴压缩试验中发生的是张拉-剪切复合破坏,数值模拟得到的应力、应变云图与试验结果相符。

【总页数】4页(P29-32)
【作者】周双双;刘京红;李兵兵;张仕桦;刘婷
【作者单位】河北农业大学城乡建设学院;天津城建大学土木工程学院;中铁建设集团有限公司;中国建筑科学研究院;农业农村部规划设计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TU528
【相关文献】
1.混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究
2.混凝土损伤断裂过程中的细观数值模拟研究
3.基于CT扫描的混凝土三维细观数值模拟
4.基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展
5.基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟
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混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究混凝土作为建筑材料在建筑结构和维护中扮演着重要角色。

混凝土结构抗荷载性能的安全性和经济性取决于混凝土的力学性能，其中有一个重要的力学性能指标为混凝土的弹性-塑性本构关系。

弹性-塑性本构关系描述了混凝土在一定应力范围内的变形性质，其中考虑了混凝土材料在受力过程中受到局部力学损伤的影响。

混凝土在应力超出该范围时会发生局部结构损伤，其弹性-塑性本构关系不能完全描述混凝土材料的变形性质，因此，必须考虑混凝土受力过程中受到的局部损伤的影响，提出了随机损伤本构关系的概念。

随机损伤状态在受力过程中有很多变量，如混凝土材料的类型、混凝土的配合比、环境温度、混凝土的介质的影响等，因此，发展一种精确建立混凝土随机损伤本构关系的数值模拟方法具有重要的实用价值。

数值模拟研究主要是使用计算机产生大量假想数据，利用统计方法，建立混凝土材料的随机损伤本构关系。

基于混凝土材料的本构应力-变形关系，假设混凝土材料有一个损伤参数，用此参数可以在混凝土材料的受力过程中定量描述混凝土材料的损伤情况。

精确建立混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究，应充分考虑混凝土材料的类型、混凝土的配合比、环境温度、混凝土的介质的影响。

另外，研究还应该考虑损伤参数的确定模型及其特征值，以及其对混凝土损伤和变形的影响，它们在混凝土损伤本构关系参数的建立中具有重要的作用。

以上是精确建立混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究的基础思想，它可以用于探究混凝土受力过程中的应力分布产生的影响以及混凝土的破坏特性。

然而，混凝土的异质性使得建立混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究有很大的挑战，因此，必须研究建立较为准确的混凝土随机损伤本构关系的数值模拟方法。

建立混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究可以利用多种方法，包括基于物理和数学模型的数值模拟研究、基于材料实验数据的数值模拟研究和混合数学建模和实验的数值模拟研究。

例如，根据混凝土材料的本构模型及其实验数据，可以采用拟合函数的方法，建立混凝土材料的受力过程中的应力-应变关系，又如，根据混凝土的实验数据，可以利用偏微分方程、拉格朗日方程或其它迭代方法，获得混凝土材料的应力-应变本构关系。