混凝土剪切破坏数值模拟

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发布时间：2021-09-18

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混凝土剪切破坏数值模拟
李庆勇，远方，童中明
(天津大学建筑工程学院．天津300072)
【摘要】混凝土是一种典型的非均匀准脆性材料，其力学性能比较复杂。对于混凝土的剪切断裂问题一
直是个难点和热点。由于受试验方法，加载系统等因素影响很难形成纯剪切状态，所测的实际结果相差较大。本
文应用了一种新的数值模拟方法一多重随机等效平面桁架模型，对双中心剪切试样(DCN)进行了数值模拟。数
值模拟结果与实验结果表现出较好的一致性，说明了本模型的合理性和有效性。
【关键词】多重随机等效平面桁架模型；数值仿真试验；混凝土；自动格子机；剪切破坏
【中图分类号】TU528．0 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2011)05—0051—03
混凝土因其具有抗压强度高、可模性和耐久性
好、造价低等诸多优点而广泛应用于土木工程中。在
对混凝土进行损伤断裂研究过程中，人们取得了不少
研究成果，但对于混凝土的剪切及剪切断裂问题却一
直是个难点和热点。因为传统的试验方法受加载系
统、试样形状等实际因素的影响，很难形成纯剪切应
力状态，使得不同的研究者得到的剪切强度相差较
大。因此对混凝土进行剪切数值模拟就显得更为必
要。本文应用一种新的数值方法一多重随机等效平
面桁架模型对混凝土进行了数值模拟。它与现有模
型的主要区别在于它通过构造大量的桁架杆件单元
来描述材料内部复杂的联系，并通过这种联系的不断
失效、退出来描述损伤的积累过程，而非现有模型通过
大量单元和单元本构关系描述材料构造和破坏过程。
1 多重随机等效平面桁架模型基本理论
1．1 等效平面桁架的节点扰动
本文参照文献[2]给出的多重随机等效平面桁架
模型。该模型是在自动格子机理论基础上将一个微
平面单元等效成一个元胞，然后把结构整体离散成为
由有限个元胞组成的平面桁架。基本等效桁架单元
的杆件在单元中心汇聚，称为节点，与每个节点相联
系的杆件构成一个元胞。由于混凝土内部充斥着微
裂纹、微空隙的原因，使得混凝士表现出不均匀性。
为了反映材料的不均匀性，更加真实地模拟混凝土的
力学性能，将节点在各自所在微元体单元范围内作随
机扰动，形成基本随机等效桁架，见图1。其中边界节
点的处理规则为：顶点节点保持不动，各边上节点在
单元范围内的边线上作随机扰动。
1．2 等效平面桁架的多重叠加
通过节点随机扰动后所形成的平面桁架结构在
一定程度上反映了混凝土不均匀性，但由于杆件较
少，不足以反映材料内部复杂情况。因此在每一微元
体单元内，仿造基本等效桁架单元的节点关系，同步构
造附加节点，由此产生的节点为幻化节点，产生的结构
为幻化结构。经过幻化后，杆件数成倍增加，确保微元
体单元之间有足够的联系反映材料的真实状况。