混凝土强度数值试验方法研究及CT验证.pdf
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1、西安理工大学学报 J o u r n a l o f Xi a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ( 2 0 1 4 )Vo 1 3 0 No 3 2 6 1 文章编号 :1 0 0 6 4 7 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 2 6 1 - 0 7 混凝土强度数值试验方法研究及 C T验证 方建银 ,党发 宁 ( 西安理工大学 岩 土工 程研究所 , 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘 要 : 基 于弹性损 伤本 构模 型 , 利 用均质 岩样研 究 了在 不 同加载 方 法 、 不 同试样 尺 寸 条件 下试 件 的
2、 受 力特 性 , 确 定 了混 凝 土数值 试验 的加 载 方法及 “ 数 字混 凝 土” 强度 的计 算 方法 , 并从 细观层 面上 分 析 了混凝 土 受力破 坏机理 及 裂纹 演化规 律 。最后 用混凝 土 C T 试验 验证 了此 法 的合 理性 。说 明可 以用位 移控 制 的应 力应 变 曲线极值 点作 为“ 数 字混凝 土” 的强度 点 ; 不论是 拉 还是 压荷 载作 用下 , 混 凝土裂纹均从相对较弱的界面开始 萌生, 然后微裂纹绕着骨料扩展 、 贯通, 即裂纹追随结构的弱面 发展 ; 混凝 土试样 的 强度取 决 于其破 坏 面积 。 关 键词 : 损 伤本 构模 型
3、;裂纹 演化规 律 ;数值 试验 ;C T 试验 ;数 字混凝 土 中图分 类号 : TU5 0 1 文献标 志码 : A Re s e a r c h o n nu m e r i c a l me t ho d f o r s t r e ng t h o f c o n c r e t e a n d CT t e s t i ng F ANG J i a n y i n,DANG Fa n i n g ( I n s t i t u t e o f Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g, Xi a n Un i v e r s i t
4、 y o f Te c h n o l o g y , Xi a n 7 1 0 0 4 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n e l a s t i c d a m a ge c o ns t i t ut i v e mod e l ,t he me c ha n i c a I c h a r a c t e r i s t i c s un de r d i f f e r e nt l oa d i n g m e t ho ds a nd s a m pl e s i z e s i s s t ud i e d us i ng
5、t he ho mog e n e ou s s a mpl e of r o c k The l o a d i ng me t ho d o f t he n ume r i c a l t e s t a nd t he c a l c u l a t i on me t h o d o f” d i g i t a l c o nc r e t e”s t r e ng t h a r e d e t e r mi ne d,a nd t he c r a c k e v o l ut i on l a w a n d f a i l ur e m e c ha ni s m o f
6、c o nc r e t e a r e a n a l y z e d a t t h e me s o s c op i c l e v e 1Fi n a l l y t he CT t e s t i S do ne t o ve r i f y t he r a t i o na l i t y o f t hi s m e t ho d I t c a n be c o nc l u de d t ha t t he e x t r e me va l u e po i nt o f s t r e s s s t r a i n c u r ve un de r t he di
7、us e d a s t he s t r e ng t h p o i nt o f c o nc r e t e;whe t he r u nd e r t e n s i l e o r c o rn be gi n f r o m t he r e l a t i v e l y we a k i nt e r f a c e, t h e n e x t e n d a r ou nd t he s t a t i c c r a c k o f c o nc r e t e d e v e l o pme nt f o l l o ws t he s t r uc t ur e o
8、 f t he we c on c r e t e d e p e nd s on t he d a m a ge d a r e a of t h e s a mpl e Ke y wo r ds :d a ma g e c o ns t i t u t i v e m o de l ;c r a c k e v o l u t i on;nu m e r i c a l rOnr rP t P 岩石 、 混凝 土 等脆 性材 料 大 量 应 用 于 土木 工 程 建设 , 其力学特性受到广泛关注和研究 , 特别是当前 水利大坝建设所需的大体积混凝土 , 其静 、 动力学特 性 更 是研 究
9、 中的重 点 和难点 。当前利 用 物理试 验对 其 进 行 的研 究 , 往往 由于试验 设 备 的局 限性 , 达 不 到 理想的预期结果 。“ 数值试验” 具有灵 活性高 、 可重 复 操作 、 可 模拟 物理 试 验 不 能 进 行 的 试 验 以及 研 究 成 本低 等优 点 , 倍 受科 研 人 员 的青 睐 。而如 何 能 够 合理地利用数值试验来研究 岩石 、 混凝 土等非均匀 收稿 日期 基 金 项 目 作者简 介 s pl a c e m e n t c o nt r o l l i ng c a n b e p r e s s i ve l oa d,c on c r e
10、 t e c r a c k s a gg r e ga t e, i t s ho ws t h a t t he a k pl a n e;The s t r e n gt h of t he e x pe r i m e nt s ;CT t e s t ;di g i t a l 脆性 材料 的力 学 特性 是 许 多 研 究 者 亟 待 解 决 的 难 题 。为此 , 以细观层次 为基础 的数值模拟方法应运 而生 。 目前 的 研 究 大 多 仅 从 二 维 和 三 维 模 型 建 立_ 1 j 、 裂纹 演化 规律 及尺 寸效 应 l 6 等 方 面进 行 了研 究 , 而三 维随
11、机 骨料 模 型的建 立 、 加 载方 式和 试 样 尺 寸效 应对 脆性 材 料 特 性 、 损 伤 破裂 的影 响 及 脆 性材料数值强度定义方面研究较少 。 本 文 基 于 损伤 力 学 原理 , 利 用 均 质岩 样 研 究 了 加 载方 式 和试样 尺 寸 对 材料 特 性 和 裂 纹 的影 响 , 确 2 O1 4 一 O 3 2 O 水利部公益性行业科研专项基 金资助项 目( 2 0 1 2 0 1 0 5 3 0 3 ) ; 陕西省 黄土力学与工程 重点实验 室重点科研计 划 基金资助项 目( 0 9 J S 1 0 3 ) 。 方建银 , 男 , 博士生 , 研究方 向为岩石
12、 、 混凝土等脆性材料强度特性数值仿真试验 。E - ma i l : f j y l x r 】 6 3 t o m。 党发宁 , 男 , 教授 , 博导 , 博 士 , 研究方 向为计算力学 和岩 土工程数值分 析。E ma i l d a n g f n ma i l x a u t e d u c n 。 2 6 2 西安 t大学学报 ( 2 0 1 4 ) 第 3 O卷第 3期 定 丫适合 研 究 脆 性 材 料 强 度 及 裂 纹 演 化 的 数 值 方 法 。将此 方法 推广 到细 观混 凝土 的强 发及 裂纹 演化 分析 中 , 从 细 观层 面上 研 究 了混 凝 土 的 搬
13、 度 与破 裂 特性 。 并利用 C T试验验 证了本义所确定的数值 试 验方法的合理性。 l 细观损伤演化模 型及试 验条件 本文选用 弹性损 伤 本构 关 系来 描述 混凝 土 类 脆 性材料的力学特性 。依据 I e ma i t r e等价应变原理可 以将应 力应 变关 系表示为 =E E , 其 中 EE、 ( 1 一D) 是材料受损 后 的弹性 模缱 , E 是材 料初 始弹 性模 量 , D是损伤变量。 对 于混 凝 土 类脆 性 材 料 , 无 论是 拉 破 坏 还 是 破坏 归根到 底都 是 山于 材料 内部 单 元 所 承 受 的拉 应力 超 出 了其 抗拉 极 限强 度
14、。因此本 文采 用最 大拉 应变 强度 准则 。 即当 细 观 材料 单 元 的 最 大 主拉 应变 值超 l _r给定 的极 限拉 应 变 闽值 时单 元 开 始损 伤 , 此时 兀仍然具有一定 的刚度和承载力 , 损伤演化 模型 见式 ( 1 ) 。 D = e : 0 o e (1 ) e 叩 ) 为 极 限拉 应 变 ; 为 极 限 应 变 系 数 ; 1 为加载历史上主拉应变的最大值 。 对 于损伤 演化 方程 ( 1 ) 中 的参数 的取 值 。 根据文 献 8 , 取 一0 1 , 叩 一5 , 一1 0 。当 元的最大拉应 变达 到 E l l 时认 为单 元完 全破 坏 ,
15、将 该 单元 杀死 。 1 1 数值 模 型及 约束 条件 二维 混 凝 土 随机 骨 料 模 型是 从 细 观 出发 , 将 混凝 土 看成 是 由骨 料 、 砂 浆 及 二 者 之 问 的结 合 面 所 组 成 的三 相 复 合材 料 , 在 An s y s 软 件 【 f 1 采 用蒙 特 卡罗 ( Mo n t e C a r l o ) 方法【 ”, 利 用 随机 变髓 得 到骨 料 位 置 , 据此 建 起 三维 “ 数 字 混 凝 土” 模 。然 后 运 用骨料投影网格法, 通过“ 多次划分单元” 技术来判 别出骨料、 砂浆及界面单 元。并分别对各绀分材料 赋予弹性模量等参数
16、, 具体建模 清参考文献 1 0 。 均 质 岩样 及数 字 混 凝 土试 样均 采 用 】 2 O mm 6 O mm( 高 直 径 ) 模 型 。其 中数 字混凝 土 试样 如 图 1 所示 。约束采用试样底面 中心点 全约 束, 底面其 它节点采用垂向约束 , 试样顶面节点采用垂 向约束。 ( a )二维网 、骨 料、砂浆及界n 6 模 露 ( b )网格 、骨料 、砂浆 及界嘶模型 , 0 饿 【n 图 图 l 泄凝 土三相材料有 限元模型 Fi g1 FEM mo de l of l hr e e p ha s e ma t e r i a l o f c o nc r e t e
17、1 2数值 试 验参数 为了保证数值试验与真实试验的一致性 , 采用 了西 北水 利水 电勘测 设计 研究 院测 定 的混凝 土三 相 组成 材料 的 力学 参 数 ( 见 表 1 ) , 均 质 岩 样 选 用 骨 料 参数 。 表 1 混 凝土各组 分材料参 数 l a b1 M a t e r i a l pa r a n l e t e r s o f c on c r e t e c o m p on e nt s 2 数值试验的加载方法及试样尺寸选择 2 1 加载 方式 的选 择 力学 试验 和数 值 试验 均 町采用 以应 力控制 的 柔 加 载和 以位 移控制 的 刚性加 载方
18、 式 。小 同加 载方 式往往得出不同的试验结果, 对于数值试验研究 更 足如此 。由于 可 以解 析计 算均 值岩 试 样单轴 拉压 时的 力及位 移 , 为此 , 本 文首 先针 对均 值岩石 试样 进 行 r 3个应 力控制 和 3个位 移控 制的单 轴压 缩 试 验 , 以研究 用数 值 试验 恰 地确 定材 料强 度 的方法 , 试验结 果 如图 2所水 。 “ 1 两种加 载 方 式 下 的试 验结 果 呵见 应 力 调 增 j l 1 法 的优 点是 荷载 易 于控 制 曲线 光泔 ; 不 足是应 力应变曲线单调增l J I 1 位移突变点不明 , 数值计算 - 为 柔性加 载
19、, 导 敛 试样顶 面各 点 位移 不相 同 , 与 试验室 试样 顶 面位移 相 的边 界条件 符 合 。位 移 控 制加 载法 的优 点 是应 力应 变 曲线 试验 室应力 应 变全【 I l j 线l卡 l 1 似 。 峰 f 【 点 明显 数值 汁算 【 j 为刚性加 f 一 , 。 参静 。簪 旦 方建 银 , 等 : 混凝土强度数值试验方法研究及 C T验证 2 6 3 载 , 试样 顶 面各 节点位 移 相 同 , 与试 验室 试样 顶 面位 移相同的边界条件相符合 ; 不足是与力学试验习惯 不 同 。应力 控制 加 载 的 数值 试 验 中 , 应 力 只能 单 调 递增而不能
20、衰减 ; 而位移控制加载的试验结果 中应 力的变化更符合实际。 5 O 4 0 矗 3 0 2 0 l 0 0 O 2 3 4 s 1 O ( a 1 应力加载 O O 0 5 1 0 l 5 s 1 O 一 f b ) 位移加载 2 0 图 2 不 同加 载方式下的 单轴受压试样应力应变 曲线 Fi g 2 St r e s s s t r a i n c u r v e s of s pe c i m e n und e r uni a xi a l c omp r e s s ion i n d i f f e r e nt l oa d i n g wa y s 对 比试验 结果 并考
21、 虑数 值试 验与 力学 试验 结果 的一致性 , 以下研究都采用以位移控制 的加载方式 , 并将计算的应力应变曲线的峰值点作为材料的极限 强度 点 。 2 2试样 尺 寸的选 择 脆性材料力学特性的尺寸效应受到人们广泛关 注 。为 了验 证位 移 控制加 载 的损 伤模 型数值 试 验方 法 中试 件 的尺 寸 效 应 , 利 用 6 0 i l l m1 2 0 mm、 1 2 0 ml T l 2 4 0 mm 和 1 8 O mm3 6 O mm 三种 尺 寸 的均 质 试样 , 研 究 了长细 比相 同而 直 径 不 同对 试 样 强 度 的影响, 计算的应力位移 曲线和应力应变 曲
22、线分别 如 图 3和 图 4所示 。 由图 3 可 以看 出 , 三种 试样 的应力 位移 曲线不 论 位 移加载 还是应 力加载 , 在 弹性 阶段 和屈 服的初期 阶 段均是完全重合的, 只有屈服的后期段由于加载方式 不同而导致残余段曲线不重合, 原因是应力控制加载 的数值试验中, 应力只能单调递增而不能衰减。 6 位移s mm 图 3 不 同试样应力位移 曲线 Fi g 3 S t r e s s d i s p l a c e me n t c u r v e s o f d i f f e r e n t s a mp l e s 0 图 4 不 同试样应力应变 曲线 Fi g4 S
23、t r e s s s t r ai n c ur ve s of d i f f e r e n t s a mpl e s 由图 4可看 出 , 数值 试验 中在 相 同的长 细 比下 , 不论 是应 力控 制加 载 还 是 位 移控 制 加 载 , 三 种 试 样 的应力应变曲线都几乎重合, 即不论采用哪种试样 其弹性模量不会发生变化 , 同样屈服强度也都不会 因为 试样 的大 小 而 不 同 。即对 于均 质 岩 样 , 长 细 比 一 定的情况下数值试验 中不考虑其尺寸效应 的影 响。这与文献 7 7基于最弱链模型和缺陷 的 P o i s s o n分 布假 设建 立 的准脆 性
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- 关 键 词:
- 混凝土 强度 数值 试验 方法 研究 CT 验证
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