【摘 要】
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混凝土材料表现出的力学性能和断裂特性与断裂扩展过程有着极其密切的关系,由于其内部结构复杂多变且具有随机性,加上外界环境因素和外荷载作用等,使得混凝土的断裂机理变得极其复杂。以往对大坝全级配混凝土开展断裂性能研究时,存在着试验周期长、试验结果离散性大以及成本高等问题,而细观数值模拟虽然可以突破试验条件的约束,并更好的研究混凝土内部的细观力学机理,但是在模拟大尺寸试件时,因庞大的计算量导致其应用受限。
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混凝土材料表现出的力学性能和断裂特性与断裂扩展过程有着极其密切的关系,由于其内部结构复杂多变且具有随机性,加上外界环境因素和外荷载作用等,使得混凝土的断裂机理变得极其复杂。以往对大坝全级配混凝土开展断裂性能研究时,存在着试验周期长、试验结果离散性大以及成本高等问题,而细观数值模拟虽然可以突破试验条件的约束,并更好的研究混凝土内部的细观力学机理,但是在模拟大尺寸试件时,因庞大的计算量导致其应用受限。针对上述问题,本文在细观层次上,将混凝土划定为由粗骨料、水泥砂浆以及两者间的薄弱交界面(ITZ)所组成的三相材料。构建混凝土细观随机骨料模型并导入有限元软件ABAQUS中模拟混凝土楔入劈拉断裂试验,分析各种因素对混凝土断裂性能的敏感性。主要做了以下几个方面工作:(1)依据已有的随机骨料自动生成的程序,投放若干个二维、三维混凝土随机骨料细观几何模型,经过分析比较选择有限元显式求解法进行求解计算,并充分利用内置于有限元ABAQUS的混凝土损伤塑性模型(CDP)来表征混凝土各相的本构方程,以提高模拟仿真效率。(2)对混凝土材料进行准静态分析时需要考虑加载速率和稳定性的影响,通过分析不同加载速率和质量放大系数对混凝土断裂模拟结果的敏感性,选择适合本次模拟所采用的最优速度取值范围为100~150 mm/s,质量放大系数取1。(3)开展全级配混凝土楔入劈拉断裂性能的敏感性分析与裂缝扩展研究,重点分析了尺寸为750mm的二维细观模型,探讨了骨料形状、砂浆和界面的强度、界面厚度和损伤因子等计算参数对PH-CMOD全过程曲线和混凝土断裂性能的影响。以及探讨不同支承形式对尺寸为2250mm的全级配混凝土断裂性能的影响。模拟结果表明:骨料形状对数值模拟结果影响不大;砂浆、界面强度越高,界面厚度越小,则断裂韧度越大;材料塑性应变占开裂应变中的比例βt越大,材料受损伤越多,混凝土的断裂韧度越低。支承形式为将支座设在四分点处的混凝土试件所模拟计算得出的断裂参数结果均要大于支承形式为将支座设在与传力轮轴对齐处的计算结果。(4)构建尺寸为750mm的三维细观随机骨料模型,对其开展楔入劈拉试验数值模拟,所得模拟结果与文献资料试验结果基本相符,进一步证明本文所用的细观模拟方法合理且可靠,为全级配混凝土细观数值模拟的研究提供参考。
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