初始缺陷对细观模拟混凝土准脆性的影响

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发布时间：2021-09-08

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初始缺陷对细观模拟混凝土准脆性的响
邬昆，李庆斌
(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)
摘要：混凝土具有应变软化性能，是典型的准脆性材料。为了在细观脆断材料的基础上模拟混凝土的软化性
能，建立了细观结构中含初始缺陷的细观脆断模型，并提出了将等效断裂强度准则作为细观破坏的判断依据。
利用该模型对混凝土的单轴受力性能进行了模拟，分析了不同含量的初始缺陷对数值结果的影响。结果表
明：初始缺陷的含量越高，数值结果中的软化越明显。说明在混凝土细观脆断模型的研究中，细观结构中的初
始缺陷是模拟宏观准脆性的重要条件。
关键词：混凝土；细观脆断模型；准脆性；初始缺陷；等效断裂；强度准则
中图法分类号：TV43 文献标志码：A
混凝土属于非均质材料，研究其细观结构在受力
过程中的演变，可以更好地揭示混凝土的宏观变形性
能及破坏机理，为混凝土宏观结构的分析提供依据。
细观数值模拟作为有效的细观力学研究方法，已经
成为研究混凝土材料性能的重要手段之一。
实验研究表明，混凝土在受力之前，其内部已经存
在大量的初始缺陷。受力后，这些初始缺陷的扩
展、贯通是导致混凝土材料发生劣化、应力应变曲线呈
现准脆性的主要因素。在混凝土细观模型中，基于脆
断破坏的细观模型能更好地反映细观结构与混凝土宏
观性能的关系。目前的混凝土细观脆断模型较少，主
要以格构模型为主。均匀的格构模型并不能很好
地模拟混凝土软化，与混凝土准脆性的差异较大，通过
非均匀格构可以得到较理想的数值结果，但此时隐含
了细观材料强度非均匀的假设，因此并不是细观结构
引起的宏观准脆性。
本文在界面过渡区引入初始缺陷，建立了含初始
缺陷的细观脆断模型，并提出了将等效断裂强度准则
作为细观破坏的判断依据。利用该模型对单轴受力的
混凝土性能进行了模拟，分析了不同含量的初始缺陷
对数值结果的准脆性的影响。结果表明，初始缺陷的
含量越高，数值结果中的软化现象越明显。说明在混
凝土细观脆断模型的研究中，细观结构中的初始缺陷
是模拟宏观准脆性的重要条件。
1 随机骨料结构及初始缺陷
本文采用随机骨料结构作为混凝土细观结构的近
似。根据文献[4]的方法生成随机骨料结构，其中骨
料形状是圆形的(二维问题)，骨料位置随机分布。
界面过渡区是混凝土的薄弱部位，因此本文只考
虑界面过渡区中的初始缺陷。引起界面微裂缝的原因
主要有水分蒸发和干缩 j，其中干缩引起的应力集中
与骨料间距有关，因此，本文假设：
(1)当某个骨料与其他骨料的间距小于给定距离
时，这个骨料上就存在初始缺陷。
(2)初始缺陷在有限元中用破坏单元表示，骨料
上初始缺陷的长度与破坏单元个数和单元平均尺寸有
关
收稿日期：2010—04—15
基金项目：国家自然科学基金“高拱坝地震灾变机理与破损全过程”(90715041)，“十一五”国家科技支撑计划“复杂条件下高
坝混凝土施工安全与高拱坝结构安全及运行可靠关键技术研究”(2008BAB29B05)
作者简介：邬昆，男，博士研究生，主要从事混凝土材料与结构性能研究。E—mail：wuk04@mails．tsinghua．edu．corn
通讯作者：李庆斌，男，教授，主要研究混凝土材料与结构性能、E—mail：qingbinli@mail．tsinghua．edu．ca