基于數(shù)值模擬試驗的混凝土強度及變形體積效應研究

陳中明,吳相豪（上海海事大學,上海 201306）

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基于數(shù)值模擬試驗的混凝土強度及變形體積效應研究

陳中明,吳相豪
（上海海事大學,上海 201306）

摘 要：采用RFPA2D軟件對混凝土試件進行數(shù)值模擬試驗，研究試件體積對混凝土破壞形態(tài)、強度及變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明：混凝土破壞形態(tài)隨著體積的增加越顯復雜化，抗壓強度隨之非線性減小，而其破壞后的殘余強度隨之增大。

關鍵詞：混凝土；破壞形態(tài)；強度及變形；數(shù)值模擬試驗

混凝土具有價格低廉，且較好的力學性質(zhì)和耐久性能等廣泛應用于水利工程、土木工程等領域。混凝土的體積效應是指混凝土隨著體積的改變強度和變形而發(fā)生改變的現(xiàn)象。本文采用數(shù)值模型軟件RFPA2D，應用隨機骨料的細觀有限元模型對同長徑比不同體積的混凝土材料進行單軸壓縮破壞試驗數(shù)值模擬，從細觀層次上出發(fā)，研究混凝土破壞形態(tài)、強度及變形的影響規(guī)律，并探尋混凝土材料體積效應的機理。

1 數(shù)值模擬試驗

1.1 模型的設計方案

為了研究體積效應對混凝土力材料破壞的影響，數(shù)值模型的設計方案為：混凝土式樣的長徑比為2，隨機選取4個混凝土試件做為研究對象，其長度依次為50mm、80mm、100mm、150mm；砂漿基質(zhì)和骨料的彈性模量分別為25GPa、80GPa；均質(zhì)度分別為3、6；泊松比取0.25；單軸抗壓強度選取30MPa；采用平面應力模型和莫爾—庫倫破壞準則，加載方式采用應力控制加載的過程；骨料用隨機模型骨料進行生成，骨料的平面表觀密度控制在50%左右。

1.2 混凝土數(shù)值模型的生成

混凝土模型的生成分為砂漿基質(zhì)的生成、骨料的隨機投放、施加荷載。用RFPA2D軟件創(chuàng)建不同體積的混凝土材料試件砂漿基質(zhì)，對其賦于設定好的力學參數(shù)，再利用RFPA2D軟件中的隨機顆粒功能隨機生成混凝土試件中的不同的骨料，最后對整個混凝土材料數(shù)值模型運用標準荷載對其進行施加荷載。

2 數(shù)值模擬試驗結(jié)果及分析

2.1 不同體積混凝土數(shù)值試件的破壞形態(tài)

分別對四種不同體積的混凝土進行了數(shù)值模擬，可知：

（1）在荷載較小時，試件基本無明顯裂縫產(chǎn)生，隨著荷載的增大，局部骨料和砂漿基質(zhì)之間發(fā)生破壞，產(chǎn)生較小的裂縫；繼續(xù)增加荷載，原有的裂縫產(chǎn)生不穩(wěn)定的擴展，混凝土裂縫相互貫通，產(chǎn)生宏觀的裂縫，并迅速形成連續(xù)的裂縫體系，最終試件失去承載能力而破壞；

（2）可以看出，體積最小的試件破壞形態(tài)比較單一，體積最大的試件發(fā)生了四處較大的破壞，表明混凝土的破壞形態(tài)隨隨體積的增加變得復雜；

（3）整個破壞過程，產(chǎn)生的裂縫數(shù)目是不同的，顯然可以看見體積越小裂縫數(shù)越多，表明混凝土的破壞強度會隨著體積的增加而減小，且混凝土產(chǎn)生的裂縫都是圍繞著骨料而產(chǎn)生的，骨料基本不發(fā)生破壞。

2.2 體積效應對混凝土強度及變形的影響

通過分析得到了四種混凝土試件的應力應變曲線，可以發(fā)現(xiàn)，四種混凝土試件的破壞都遵循彈塑性破壞的規(guī)律，開始階段混凝土試件都呈現(xiàn)壓實階段，曲線的斜率隨著應力的增加而逐漸增大，這一階段形成早起的非線性變形階段，試件基本無裂紋；

隨著應變的增加，彈性變形微裂紋產(chǎn)生至穩(wěn)定，在該階段應力應變曲線近似為直線的關系，但不同體積的混凝土相同的應變對應的應力大小不同，體積越大，應力越小；

當試件從彈性變形到應力峰值時，這一階段不同體積混凝土試件中微裂縫基本都出現(xiàn)了巨大的變化，這是因為破壞過程中應力集中對試件所致，不同體積混凝土對應的峰值強度是不同的，25x50mm混凝土試件的峰值強度最大，5x150mm混凝土的峰值強度最小，峰值應力隨著體積的增加而逐漸減小，但是當體積增加到一定程度，峰值應力的變化趨于平緩；

峰值強度后，應力隨著應變的增加而下降，混凝土試件破壞出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，其內(nèi)部雖然出現(xiàn)了完全破壞，但是試件基本保持整體狀態(tài)，這階段四種混凝土的應力應變曲線趨勢基本是保持一致；最后隨著應力應變的增加，這階段混凝土在荷載繼續(xù)增大的情況下出現(xiàn)了繼續(xù)發(fā)生的殘余變形，但是四種體積的混凝土出現(xiàn)了不同的殘余變形，混凝土體積越小，殘余變形越大，但是殘余強度越小，但并不會達到0。

3 結(jié)論

通過對四種不同體積混凝土試件進行數(shù)值模擬試驗分析可得如下結(jié)論：

（1）混凝土的在荷載作用下破壞實質(zhì)上是裂縫產(chǎn)生、擴展延伸導致的，骨料的粒徑對裂縫的擴展延伸具有一定的阻礙作用，裂縫數(shù)隨著體積的增加而增加，破壞形態(tài)也越顯復雜化；

（2）混凝土的抗壓強度是隨著體積的增加非線性減小的，二者存在一定的函數(shù)關系；

（3）混凝土單軸壓縮峰值應力隨著之隨著混凝土的體積增大而減小，殘余強度伴隨著體積增大而增大。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.071

作者簡介：陳中明（1990-），男，安徽池州人，碩士研究生，研究方向：水工結(jié)構材料的耐久性。