用改良模型分析缺陷混凝土梁的动强度.pdf

第 3 4卷 第 4期 2 0 1 2年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o l | 3 4 N o 4 Aug 2 01 2 用改 良模型分析缺陷混凝土梁的动强度 覃 源 ， 柴军瑞 ， ( 1 西安理工大学 水利水 电学院， 西安 7 1 0 0 4 8； 2 三峡 党发 宁 大学 土木水电学院 ， 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 ： 改进 了传 统 的数 字混凝 土 建模 方法 ， 利用新 方 法建 立 了存 在初 始 缺 陷 的混 凝 土梁 三点 弯数 值试 验模 型 ， 随后 对所 建 立的模 型 进行 了 3种 工 况 的数值 模 拟 。分析 了初 始缺 陷的存 在 对 混 凝 土 动 强度 的影 响规律 ， 结果显 示 ： 在 加 载初 期 ， 加 载速 率越 高 ， 初 始 缺 陷 对材 料 动 强度 的 影 响越 明显 ， 但是 在加 载后 期 此影 响减 弱 ； 当荷 载达 到 材料 的 强度 点 时 ， 不 同 的加 栽速 率 下 ， 初 始缺 陷对 混凝 土 材料 动 强度 影 响均 不显 著 。通过 与试验 结 果 的对 比 ， 发现 改进 后 的模 型计 算精 度 高于传 统模 型 ， 计 算结 果更加 合 理 ， 在 工程 实际 当 中能 够取代 传 统的数 字 混凝 土模 型。 关键 词 ： 混凝 土 ； 细观 模 型 ；数值 模拟 ；初 始缺 陷 ； 动 强度 ； 三点 弯 中 图分类 号 ： TU5 2 8 文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 8 5 0 6 Nu m e r i c a l An a l y s i s o n t he M o di f i e d M o d e l t o t h e Dy n a mi c S t r e n g t h o f De f e c t i v e Co n c r e t e Be a m QI N Yu an ，CHAI J U n r u f ，DANG Fa n i n g Co l l e ge of Hy dr au l i c a n d H y dr o powe r Engi ne e r i ng， Xi a n Uni v e r s i t y of Te c h nol o gy， Xi a n 7 1 00 48， PRChi na； Co l l e g e o f Ci v i l& Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g， Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ，Hu b e i ， PRC h i n a ) Ab s t r a c t ： By i m p r ov i n g t he t r a d i t i on a l di gi t a l c o nc r e t e m o d e l i ng me t h o d，t he ne w d e f e c t i ve c onc r e t e mo de l wa s e s t a bl i s he d Thr e e c a s e s w e r e s i mul a t e d ba s e d on t h i s mod e 1 The i nf l ue n e e o f i n i t i a l de f e c t i ve ne s s o n t h e d y na mi c s t r e n gt h wa s i nv e s t i g a t e d The r e s u l t s ho ws t h a t ： 1) A t i n i t i a l s t a g e， t h e i nf l u e nc e o f t he i n i t i a l de f e c t i v e n e s s on t h e d y na mi c s t r e ng t h be c o m e s m o r e ob v i ou s l y wi t h t he i n c r e a s i n g o f t he l o a di ng s pe e d；2 )Re ga r dl e s s of t he s a me l o a d i ng s p e e d，t h e i nf l ue n c e be c o m e s l e s s o bv i o us l y whe n t he l oa d r e a c he s t h e s t r e n gt h po i n t o f t he c o nc r e t e； 3)The s i mul a t i on r e s ul t i s c o m p a r e d wi t h t he t e s t r e s u l t ， a n d i t i s d e d uc e d t ha t t he ne w mod e l h a s h i g he r c ompu t a t i on a l a c c u r a c y a n d t he r e s ul t i s mo r e r a t i on a l ，a nd i t c a n t a ke t he p l a c e o f t he t r a d i t i on a l d i g i t a l c o nc r e t e mod e l i n pr a c t i c e Ke y wo r d s： c o nc r e t e；m i c r os c op i c mod e l ； nu m e r i c a l s i mul a t i o n； i ni t i a l d e f e c t ； d y na mi c s t r e ng t h；t hr e e p oi nt b e nd i n g 混 凝 土大 多 由人 工 或 者 机 器 搅 拌 而 成 ， 其 内部 存 在天 然 的初始 缺 陷 ( 裂缝 、 孔 洞 ) 不可 避免 。 多 年来 ， 很 多学 者对混 凝 土开 展 了大 量 的研 究 ， 他 们采 用 的研究 方 法 大 致 分 为 2种 ： 试 验 方 法 和数 值 模 拟方 法 。试 验方 面 ， Ma s a h i k o等口 利 用 S I B I E 法检测了预应力混凝 土模型未灌注均匀 区域 ( 即缺 陷区域 ) 的分 布 。为 了研 究 缺 陷混 凝 土 梁 的开 裂 规 律 ， S a g a r 等 将 声 发 射 技术 应 用 到 带 有 凹槽 的 三 点弯 试验 中 ( 凹槽 可看 作 外 部 缺 陷 ) 。周 继凯 等 则采 用全 数字 化 声 发 射 系统 采 集 了混 凝 土试 验 中 ， 从加 载至 最终 破 坏 的声 发 射 特 征 参 数 和 波形 ， 从 声 发射试 验 方面 得 到 了混 凝 土 试 件 受 力破 坏 时 ， 其 内 部 的裂 纹 的 变 化 规 律 。丁 卫 华 等_ 6 。 将 便 携式 加 载 设 备 与 C T 技术 相 结合 ， 成 功 获 得 了混 凝 土试 件 内 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 3 1 基金项 目： 国家 自然科学基金面上项 目( 5 0 6 7 9 0 7 3 ) ； 国家 自然科 学基金重点项 目( 9 0 5 1 0 0 1 7 ) 作者简介 ： 覃源( 1 9 8 3) ， 男 ， 博 士生 ， 主要从事混凝 土动力 学数值模 拟及实验研究 ， ( E ma i l ) l a n e l y l y 1 6 3 c o i n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 期 覃 源 ， 等 ： 用 改 良模 型 分析缺 陷混凝 土 梁的动 强度 8 9 试件 进 人失稳 阶段 ， 此 阶段 相 同荷 载步 内 ， 试 件会 产 生更 多 的位移 。该 方法 的优 点在 于 可 以根 据试 件 强 度 点位 置 ， 准 确描 述 出进入 失稳 阶 段 的具 体 时 间 ， 但 此方 法 无法对 卸 载 阶段 进 行模 拟 ， 因此荷 载一 位 移 曲 线 中无 下 降趋势 ) 。 图 8荷 载 一 位 移 曲 线 图 ( A、 B、 C标 记 出 了 强 度 点 的 位 置 ) 可 以从 曲线 图 中看 出 ： 1 ) 无 论 材 料 中存 在 初 始 缺 陷与 否 ， 2种 模 型 计 算 得 到 的荷 载 位 移 曲线 规 律 基本 相 同 ， 说 明 改 进后 的模 型是 合 理 的。2 ) 当荷 载 值还 未 达到混 凝 土材料 强度 点 时 ( 即 ： 加 载 初期 ) ， 加 载速 率相 同的情 况 下 ， 存 在 初 始 缺 陷 模 型 产 生 位 移 值 总是 大于无 初 始 缺 陷 的 模 型 ， 说 明 初 始 缺 陷 给 模 型带 来 了更大 的损 伤 。3 ) 当荷载 值 达 到并 超 过材 料 的 强度 点时 ， 2 类模型 的荷载一 位移 曲线基本重合 ， 说 明此 时初 始 缺 陷 对 试 件 力 学 性 能 的 影 响程 度 降 低 ， 这 一规 律与 损 伤 单 元数 量 柱 状 图所 表 现 出 的规 律相 近 。 对 2 种 混凝 土模 型在 达 到各 自强度 点 时 的计算 结果 进 行 统 计 ， 并 结合 试 验结 果 汇 总 到表 4 。可 以 看 出 ： 1 ) 在 相 同计算 工况 条件下 ， 无 初始 缺 陷 的混凝 土试件 的强 度 略 高 于存 在 初 始 缺 陷 的混 凝 土试 件 ， 且加载速率越快 ， 初始缺陷对试件强度影响越显著 。 2 ) 在加载的任意时刻 ， 相同工况下， 存在初始缺陷的 混凝土试件产生 的位移值总是略大于无初始缺陷的 试件 ， 说明初始缺陷的存在会使混凝土试件在相 同 加载速率下产生更多的损伤。3 ) 对 比试验结果可以 看 出 ， 改进后 模 型 的强度 计 算 结 果 与 试 验 结 果较 接 近， 强度平均计算精度为 9 4 O 7 ， 比传统模 型的平 均计算精度提高了 2 。在位移计算结果方面， 发现 数值模拟结果的精度仍然较低， 这一现象与计算时采 用 的损伤本 构 模 型有 关 。改进后 模 型 的位 移计 算 结 果平均精度为 6 9 8 1 ， 比传统模型的计算精度提高 了 3 4 。从总体来看 ， 改进后7 昆凝土模型的计算结 果更 加贴近 试 验结 果 ， 试 验 精度 有 一定 的提 高 ， 可 以 完全 取代传统模 型 ， 更好 的应用 于工程实际 。 表 4混 凝 土 动 强度 对 比 3 结 论 通过数 值模 拟 ， 分 析 了初 始缺 陷 的存 在 对混 凝 土材料 力学 性 能 的影 响 规律 。将数 值 模 拟结 果 与所 做 试验 结果 相对 比 ， 发现 数值模 拟 结果 合 理 ， 从 而得 出 以下结论 ： 1 ) 不论 初 始缺 陷存 在 与 否 ， 混 凝 土 试 件 损 伤 最 先 出现在 试 件 底 部 受 拉 区 ， 随 后 向试 件 中部 转 移 。 不 同的是 ， 存 在 初 始 缺 陷 的 混凝 土 试 件 在 底 部 损 伤 发展的同时 ， 内部初始缺陷区域面积会增加 ， 出现相 互连通 的现象 ， 此现象在传统模 型中无法体现。 2 ) 从整 个加 载 过 程 来 看 ， 初 始 缺 陷 的存 在 对 混 凝土模型的动强度影响主要体现在加载初期 ， 而 当 荷 载值 达 到并 超 过材 料 强 度 点 时 ， 此 影 响效 果 明显 减 弱 。 3 ) 通过 与传 统数值 计算 结果 以及 试 验结 果 的对 比 ， 发现 改进后 的模 型继 承 了传统 模 型优 点 ， 与此 同 时还能够提高计算精度 ， 使结果更加贴近工程实际， 可 以完 全取代 传统 的数 字混 凝土 随机 骨料模 型 。 4 ) 讨 论 了当初 始缺 陷单元 数 量 占分析 区域单 元 总数 1 时， 对混凝土材料 强度 的影 响规律 ， 但是 ， 若初 始缺 陷所 占 比例 增加 ， 会对 混 凝 土 材 料 带 来 什 么样 的影 响 ， 将 在 以后 的研究 中继 续深 入 。 参考 文 献 ： 1 Ma s a h i k o Y， Ma s a y a s u 0 C a s e s t u d i e s o n u n g r o u t e d t e n do n du c t i n pr e s t r e s s e d c o nc r e t e mo de l s b y Si b i e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 ： 2 37 6 2 38 O 2 S a g a r R V， P r a s a d B K R A n e x p e r i me n t a l s t u d y o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 4 卷 a c o us t i c e mi s s i on e n e r g y a s a q ua n t i t a t i ve me as ur e of s i z e i n de pe nde nt s pe c i f i c f r a c t u r e e ne r gy of c o nc r e t e b e a ms J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 25： 2 3 49 23 57 3王岩 ， 吴 胜兴 ， 周 继凯 ， 等 小湾拱 坝湿筛与三级 配混凝 土静态弯拉声发射特性 J 振动与冲击 ， 2 0 1 1 ，3 0 ： 1 0 1 7 W ANG Ya n ，W U S h e n g x i n g，Z HOU J i k a i ，e t a 1 Ac ou s t i c e mi s s i o n c ha r a c t e r i s t i c s of we t s i e v i ng c onc r e t e a nd t hr e e - gr a d e d on e i n x i a o wa n a r c h da m u n d e r s t a t i c f l e x u r a l t e n s i l e J J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d Sh oc k， 2 0l1， 3 O：10 一 l7 4 周继凯 ， 吴胜兴 ， 苏盛 ， 等 小湾拱坝湿 筛混凝土动态 弯 拉应变率效 应试 验 研究 I- J 水力 发 电学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 5 )： 1 4 0 1 4 6 ZHOU J i k a i ， WU S h e n g x i n g，S U S h e n g， e t a 1 Exp e r i me n t a l s t ud y o f s t r a i n r a t e e f f e c t o n dy na mi c f l e x ur a l t e n s i l e pr op e r t i e s o f we t s i e v i ng c o nc r e t e i n X i a o wa n a r c h d a m J J o u r n a l o f Hy d r o e l e c t r i c Eng i n e e r i n g， 2 0 09， 2 8( 5)： 1 4 0 1 4 6 5周继凯 ， 吴胜兴 ， 苏盛 ， 等 小 湾拱 坝湿筛混凝 土动态弯 拉力学特性试验 研究 r J 水 利学 报 ， 2 0 1 0 ，4 1 ( 1 ) ： 7 3 79 Z HOU J i k a i ，W U S h e n g x i n g ， S U S h e n g，e t a 1 Ex pe r i me nt a l s t ud y o n dy na m i c f l ex ur a l t e ns i l e me c ha ni c a l be h a vi o r o f we t s i e v i ng c o nc r e t e o f Xi a o wa n Ar c h Da m J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 ) ：7 3 7 9 6 丁卫华 ， 陈厚 群 ， 尹小 涛 ， 等 类岩 石材料 C T 动载试 验 装置 的关键技术研究 J 岩 石力学 与工程学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 8( 8)： 1 62 0 1 6 28 DI NG W e i hu a。CHEN Hou qu n，YI N Xi a ot a o，e t a 1 St ud y o f ke y t e c h ni qu e s o f dy na mi c l o a di ng CT t e s t d e v i c e f o r r o c k l i k e ma t e r i a l J C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k M e c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 2 8( 8 )： 1 6 2 0 - 1 6 28 7丁卫华 ， 陈厚群 ， 党 发宁 ， 等 与医用 C T配套 的便携式 材料试验 机 的研 制 及 其在 混凝 土 损伤 研 究 中的 应用 口 实验力学 ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 3 ) ： 2 0 7 2 1 4 DI NG W e i h ua，CHEN Hou qu n，DANG Fa ni ng， e t a l ， M a n u f a c t u r e o f p o r t a b l e ma t e r i a l t e s t d e v i c e f o r mi n g a c omp l e t e s e t wi t h me di c a l X r a y CT an d i t s ap pl i c a t i o n i n c o n c r e t e d a ma g e s t u d y E J J o u r n a l o f E x p e r i me n t a l M e e h a n i e s ，2 0 0 9 ，2 4 ( 3 ) ：2 0 7 2 1 4 8 郑丹 ， 李 庆斌 考虑细观缺陷和静力本构 的混凝 土动力 本构模型 J 清华大学 学报 ： 自然科学 版， 2 0 0 4 ， 3 ： 4 1 0 4l 2 Z HE NG Da n， L I Qi n g b i n Dy n a mi c c o n s t i t u t i v e e q ua t i o ns f or c o nc r e t e ba s e d on me s o c r a c ks a n d a s t a t i c c o n s t i t u t i v e m o d e l I- j J o u r n a l o f Ts i n g h u a U n i v e r s i t y ： S c i e nc e a n d Te c h no l o gy，20 04，3：41 0 4 12 9 马怀发 ， 王立涛 ， 陈厚群 ， 等 混 凝土动态 损伤 的滞 后特 性 J 水利学报 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 6 ) ： 5 9 6 4 M A Hua i f a， W ANG Li t a o， Che n H o uq un， e t a 1 M e c ha ni s m o f d yn a mi c d a ma ge d e l a y c ha r a c t e r i s t i c o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 6 )： 5 9 6 4 1 O 马怀发 ， 陈厚群 ， 吴建 平 ， 等 大坝混 凝土三维 细观力 学 数值模 型研究 J 计 算力 学 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 4 1 24 7 MA Hu a i f a ， CHEN Ho u q u n ， W U J i a n p i n g， e t a 1 S t u d y on nume r i c a l a l g or i t h m o f 3D me s o me c h a ni c s mo de l of d a m c o n c r e t e J C h i n e s e J o u r n a l o f C o mp u t a t i o n a l M e c h a n i c s ， 2 0 0 8，2 5 ( 2 ) ： 2 4 1 - 2 4 7 1 1 陈厚群 ， 马怀发 ， 李运 成随机骨料 模型形 态对大 坝混 凝土弯拉强度 的影 响_ J 中国水利水 电科 学研 究院学 报 ， 2 0 0 7 ， 5 ( 4 ) ： 2 4 1 2 4 6 CHEN Hou qu n。 MA Hua i f a， LI Yun c he n gI n f l ue nc e o f r a nd om a gg r e ga t e s ha p e s on f l e xu r al s t r e n gt h o f d a m c o n c r e t e J J o u r n a l o f C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r Re s o ur c e s a n d Hyd r opo we r Re s e a r c h， 2 00 7， 5( 4)： 24 1 2 46 1 2 S h i Z H， S u z u k i M Nu me r i c a l s t u d i e s o n l o a d c a r r y i n g c a p a c i t i e s o f n o t c h e d c o n c r e t e b e a ms s u b j e c t e d t o v a r i o u s c o n c e n t r a t e d l o a d s J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l di ng M a t e r i a l s， 2 0 04， 1 8： 1 73 18 0 r 1 3 S h i Z H， Na k a mu r a Y， Na k a n o M Nu me r i c a l s t u d i e s o n mu l t i s t a g e s t r e n gt h d e gr a da t i o n o f no t c he d c on c r e t e b e a ms u n d e r s e q u e n t i a l l o a d i n g J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e ， 2 0 1 1 ， 3 3 ： 1 1 4 0 1 1 5 0 1 4 S k a r z y n s k i L ，T e j c h ma n J C a l c u l a t i o n s o f f r a c t u r e pr o c e s s z o ne s o n me s o s c a l e i n n o t c he d c o nc r e t e be a ms s u b j e c t e d t o t h r e e - p o i n t b e n d i n g J E u r o p e a n J o u r n a l o f M e c ha n i c s So l i ds ， 2 01 0， 2 9： 74 6 7 6 0 1 5 党发宁 ， 田威 ， 韩文涛 ， 等 混 凝土破裂 过程三维 数值模 拟及 C T验证 J 水利学报 ， 2 0 0 6 ，3 7 ( 6 ) ： 7 4 8 0 DANG Fa ni ng，TI AN W e i ，HAN W e n t a o，e t a 1 3 - D nu me r i c a l s i mul a t i o n o f c o nc r e t e f a i l u r e p r oc e s s a nd CT v e r i f i c a t i o n J J o u r a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 3 7( 6)：7 4 8 0 ( 编辑王 秀玲) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m