混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究

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发布时间：2021-09-22

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混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究
孙超，邬翔，周勇，李杰
(同济大学土木工程学院，上海200092)
摘要：从细观力学层次出发，把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材
料，通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗
粒级配符合Fuller曲线的数值试件，然后对每一相材料分别赋以服从Weibul1分布的随机力学参数(弹模、强
度和泊松比等)并规定相应的破坏准则，将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行
数值模拟。与实验结果的对比显示，本文提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单
压下的应力一应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。
关键词：细观力学；数值试件；随机损伤；本构关系
中图分类号：TU528．01 文献标示码：A 文章编号：1672—7037(2008)04—0276—04
混凝土是一种非均匀的多相复合材料，其受
力特性表现出明显的非线性与随机性。研究和把
握这种力学性态对分析结构的响应具有至关重要
的作用。理论上，可以从三个尺度出发研究混凝
土的力学特性u J：微观层次(原子、分子量级)、
细观层次(10～mm一10 mm量级)和宏观层次(大
于10 mm量级)。从工程意义上，以细观研究和
宏观研究为主。
混凝土的断裂过程是一个其内部随机分布微
裂纹的萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂纹而最
终断裂的过程。因此，在细观层次上的研究最有
可能把握混凝土受荷破坏过程，从而揭示其破坏
的特征和机制，也为防止这种断裂的发展提供理
论基础。
近年来国内外在这方面的研究，依据其发展
脉络大体可以分为：网格模型(LatticeMode1)【2_5J；
粒子模型(Particle Mode1)I6J；梁一颗粒模型(B．P
Mode1)【；多尺度混合模型(M—D Mode1)【8J等
等。这些模型大多假定混凝土是由骨料、砂浆基
质和两者之间的界面层组成，通过细观层次上较
为简单的本构关系来模拟宏观层次上复杂的断裂
过程和力学表现。本文模型的出发点与之类似，
但假定混凝土细观单元在受荷作用时不仅产生损
伤，同时伴随塑性变形，通过引入具有随机损伤
的细观本构来模拟混凝土的宏观力学性能。
1 细观数值模型
1．1 细观数值试件
获得一个混凝土数值试件，关键是确定骨料
的位置和尺寸。本文通过随机投骨料的方法得到
数值试件[9,101，见图1。
图1 随机投骨料法生成的骨料分布图
根据已有研究结果【l¨，模型中各相的细观力
学参数(弹性模量、强度和泊松比等)皆采用
Weibul1分布。
1．2 细观单元的本构关系
数值试验模拟混凝土破坏的关键在于如何选
择细观单元的本构关系以及破坏准则。本文采用
混凝土三相介质即骨料、砂浆、及界面层来模拟
混凝土。
事实上，混凝土内存在大量的初始微裂纹和