混凝土裂缝在不同应变速率下的数值分析.pdf

2 0 1 3 年 第 1期 (总 第 2 7 9 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 7 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 1 0 1 1 混凝土裂缝在不同应变速率下的数值分析 孙吉书 。刘录 良。窦远明 ( 河北工业大学 土木工程学院，天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘 要 ： 基于 C 4 0 混凝土在不 同应变速率下的单轴抗压试验结果 ， 利用 A N S Y S有限元分析程序中的 S o l i d 6 5单元建立混凝土 试件的有限元计算模型， 较真实的模拟混凝土在 4 种不同应变速率下由开裂到破坏的变化情况， 通过程序计算得出混凝土试件 的裂缝发展图和混凝土试件的破坏形态 ， 探究混凝土的破坏机理 ， 为进一步研究混凝土的动态力学性能提供设计理论依据。 关键词 ： 混凝土 ；应变速率；有限元分析 ； A NS YS 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) O l 一 0 0 3 7 0 2 Nu m e r i c a I s i mu l a t i o n o f c on c r e t e c r a c k un d e r d i 仟e r e n t s t r a i n r a t e SUN J - s h u， L， Lu l i a ng， DOU Yu a n- mi n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H e b e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e s i n g l e a x i s a n t i p r e s s u r e t e s t r e s u l t s o f C 4 0 c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t s t r a in r a t e ， b y u s i n g S o l i d 6 5 un i t o f ANS YS fini t e e l e me nt pr o g r a m ， fin i t e e l e me n t c a l c ul a t i o n mo d e l o fc o n c r e t e s pe c i me n wa s e s t a b l i s h e c k Th e e v olut i o n o fc r a c k pa t t e r ns an d f a i l u r e mo d e o fc o n c r e t e were i n v e s t i g a t e d Cr a c k d e ve l o p me n t an d f a i l ure mode s o fc on c r e t e s pe c i me n Was e s t a b l i s h e d t h r o ug h the p r og r a m c a l c u - l a t e s t o e x p l o r e the me c h a n i s m o f c o n c r e t e d e s t r u c ti o n I t C a ll p r o v i d e f u r t h e r r e s e a r c h an d d e s i g n the o r y o f c o n c r e t e o n me c h an i c a l p r o p e r t i e s Ke y w o r d s ： c o n c r e t e ； s a in rat e ； fi n i t e e l e me n t an a l y s i s ； ANS YS 0 引 言 混凝土是人类创造 的最古老的建筑材料之一。 混凝 土 材料已经遍及港 口堤坝、 高楼大厦、 桥梁隧道、 公路路面、 铁路 枕轨 、 海上钻井平 台、 人 防国防工程 以及特殊工程 等 各个工程领域。 这些混凝土结构在使用过程中均可能会面 临地震 、 海啸、 爆炸、 撞击等动态荷载的作用。 因此保证混 凝土结构在动态荷载作用下的稳定性与安全性成为广大 土木工程师必须解决的问题， 通过分析混凝土结构在动态 荷载作用下的力学与变形特性， 为混凝土的设计提供理论 依据 ， 以保证结构的安全。 1 9 6 7 年有限元方法就开始用于 混凝土结构 的分析 ， 至今 混凝土 的数值计算方法得到 了快 速 的发展 ， 混凝 土的开裂 ， 混凝土的非线性多轴应力应变 关系 ， 钢筋 与混凝土之间的相互作用等 比较复杂的 因素都 可 以用有 限元方法进行分析。 常见的动态 问题有 ： 地震作用 下结构 物的震动 ， 爆 炸 荷载作用 下防护工程 的动力反应 ； A NS Y S中的瞬态动力 学分析 主要用 于确 定承受任意随时间变化荷载 的结构动 力学响应 ； 可以确定结构在静态荷载， 动态荷载， 瞬态荷载 等任意荷载组合下结构的位移， 应力、 应变等随时间变化 的规律 求解瞬态动力学分析的方法有完全法 ， 缩减法和 模态叠加法。 混凝土宏观试验的变形特性与混凝土内部裂 收稿日期：2 0 1 2 - 0 7 - 2 6 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 0 7 3 ) 缝的发展密切相关， 本研究利用 A N S Y S有限元程序中的 瞬态分析模 块求解混凝 土在不 同应变速率下的裂缝 变形 特性 ， 分 析研究 C 4 0 混凝 土在应 变速率 为 1 x l 0 、 1 x l O 、 l x l O q 、 l x l O S 一 ( 相当于 8 m m 6 0 0 s 、 8 m m 6 0 s 、 8 m m 6 S 、 8 mm O 6 s ) 不同应 变速率下的裂缝特性 ， 取 l x l O S 为准 静态应变率 1 。 1 有限元模型建立与网格划分 本研究有限元分析采用的试件为 7 0 m mx 7 0 m mx 2 0 0 mi l l 的棱柱体。 混凝土有限元模型采用映射网格划分 共 有 2 7个 S o l i d 6 5单元 ， 试 件 的单元 划分 如 图 1 所 示 。 S o l i d 6 5 称为 3 D加筋混凝土实体单元， 用于模拟元筋或加 筋的实体结构， 具有受拉开裂和受压破碎性能 ， S o l i d 6 5 单元 由 8 个节点定义 ， 每个节点有 3 个 自由度 ， 即沿节点 坐标 系 的平动位 移。 S o l i d 6 5 单元最重要 的是对材料非线性 的 处理 ， 具有开裂与压碎性能可以模拟混凝土的开裂 ， 压碎 ， 塑性变形及 徐变 。 S o l i d 6 5 单元本构关 系的判断在破坏准 则之前 。 如果考 虑混凝 土的压 碎破坏 ， 有限元模 型会较早 失效， 得不到真实极限载荷 ， 所以在一般情况下， 不推荐使 用压碎判据 C r u s h ， 而使用塑性或塑性下降段， 在 C o n c r e t e D a t a T a b l e 里面， 设定单轴抗压强度为负 1 ， 后面围压等 4 个 参数不要设定 ，此时相 当于是带有 “ 拉力 截断” ( T e n s i o n 37 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 龄期 d ( b ) D2 图 1 O 内边界点实测值与反演值比较 4结 论 ( 1 ) 改进遗传算法克服了基本遗传算法的局部搜索能 力较差， 对搜索空间变化适应能力差 ， 并且易出现早熟现 象， 有效提高了寻优的速度和精度。 ( 2 ) 混凝土是 的热 的不 良导体 ， 在一个试验块 的不同 区域 内进行不同物该条件的温度试验获得 的短期 的实测 数据 ， 实测结果相互间 的干扰很小 ， 可 以运用 于计算机 的 反演分析。 ( 3 ) 数值反演方 法以现场实测温度为基础 ， 因此 ， 反演 分 析获得的获得混凝 土不 同物盖条件下 的热交换系数包 括对流传热和辐射传热的总和， 能够较为真实的反映出工 程现场的实际情况， 同时也是比较经济的方法； 但是 ， 由于 它是通过个别点的实测温度值进行反演计算， 因此， 反演 上接第 3 8页 力和应变 的大小以及混凝土 的开裂和压碎破坏情况 ， 当主 拉应力超过混凝土抗拉强度时 ， 混凝土将在与主拉应力垂 直的方向开裂， A NS Y S中以小圆圈显示 S o l i d 6 5 单元的开 裂破坏情况 ， 并且圆圈的法向方向与主拉应力的方 向一致 ， 若裂缝张开后又闭合 ， 通过小圆圈中间 l：I x 表示， 同时， 在 每个积分点处可以至多有 3个开裂 面并且用小圆圈表示 ， 圆圈越多则表示开裂越严重 。 R a g u e n e a u 2 1 和 C a d o n i t 3 lJ 用 裂纹扩展来解释混凝土抗压强度 的增强 ， 认为在准静态情 况下裂缝是沿着最弱 的骨料与水泥砂浆 的界面扩展 ， 在动 态情况下裂缝穿过骨料颗粒扩展 ， 并且裂缝的数 目逐步增 多 ， R o s s 4 1 认为在加载速率很快 的情 况下微裂缝 的局部化 扩展可 以使 混凝土的强度增加。 图 2给出的是 C 4 0 混凝土 试件在应变速率为 l x l 0 l x l O 、 1 x 1 0 、 1 x l 0 s - l ( 相 当于 8 ram 6 0 0 s 8 mm 6 0 s 、 8 m m 6 s 、 8 m m 0 6 s 取 l x l O s 一 为 准静态应变率 ) ， 下 的裂缝 发展 图 ， 可 以看出随着应变速率 的降低 ， 小圆圈的个数增多表 明混凝土试件的开裂程度加 重 ， 当应变率为 1 x l 0 s - 1 时， 裂缝分布稀疏 ， 当应变率为 l x l 0 - 5 s 时 ， 裂缝分布稠密 ， 小 圆圈已基本满布整个试 件 并且试件中部开裂最为严重。 由于受到泊松比的影响， 混凝土试件在竖向产生裂缝 的同时， 混凝土试件横向膨胀， 裂缝的扩展使得混凝土试 件抵抗变形的有效面积减小 ， 裂缝的出现使得混凝土试件 表 面的变形分 布发生改变 ， 最后裂缝贯通整个试件 ， 试件 最终破坏。 结果往往只能反映局部情况， 整体代表性稍差。 参考文献 ： 1朱伯芳大体积混凝土温度应力与温度控f lJ M 北京： 中国电力 出版社， 1 9 9 8 2 许朴 混凝土坝有限元仿真计算子结构法及应用研究【 D 】 南京： 河海大学 ， 2 0 0 9 f 3 13 弗兰克P 英克鲁佩勒传热学基本原理【 M 】 京： 化学工业出版 社， 2 0 0 7 4 钱壬章 ， 俞昌铭， 林文贵_ 1专热分析与计算【 M 京 ： 高等教育出 版社 ， 1 9 8 7 5 T u n c i e r C e b e c i ， P e t e r B r a b s h a w 对流传热的物理特性和计算【 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 8 8 6 】 周明 ， 陈振建 遗传算法原理及应用 M 】 北京 ： 国防工业出版社 ， 2 0 00 作者简介： 汪伦焰( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 博士研究生， 副教授。 联系地址： 郑州市北环路 3 6 号 华北水利水电学院( 4 5 0 0 4 5 ) 联系电话 ： 1 3 5 2 5 5 8 7 7 3 0 4结语 通过混凝土试件在不 同应 变速率 下破坏 过程的数值 模 拟分析 ， 可以得出 ： ( 1 ) 随着应变速率的增长 ， 混凝土材料裂 缝扩展贯通 的速度更迅速 。 ( 2 ) 随着应变速率 的增长 ， 混凝土裂缝 面上的骨料被 裂缝穿过的概率增大。 ( 3 ) 随着应变速率的增长， 混凝土内部裂缝减少。 裂缝 处理， 一直是混凝土有限元分析很重要的问题， 本试验对研 究不同应变速率对混凝土破坏模式的影响具有重要意义 。 参考文献 ： 1 孙吉书， 窦远明， 杨春风， 等 混凝土动态抗压特性的试验研究叨 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 2 0 2 2 2 1 R AGU E NE AU， GA T UI N GT I n e l a s t i c b e h a v i o r mo d e l i n g o f c o n c r e t e i n l o w a n d h i g h s t r a i n r a t e d y n a m i c s J C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s ， 2 o o 3 ( 8 1 ) ： 1 2 8 7 - 1 2 9 9 3 】C A D O N I ， L A B I B E S H i【g h - s t r a i n - r a t e t e n s i l e b e h a v i o r o f c o n c r e t e 田 M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 5 2 ( 5 ) ： 3 6 5 3 7 0 4 1 ROS S I P， T OU T L E MO ND EF E f f e c t o f l o a d i n g r a t e o n t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c o n c r e t e ： d e s c r i p t i o n of t h e p h y s i c a l me c h a n i s ms 叨Ma t e r i als and S t r u c t u r e s 1 9 9 6 ( 2 9 ) ： 1 1 6 一 l 1 8 作者简介： 联系地址： 联系电话： 孙吉书( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授， 博士， 主要从事建筑材料， 结构工程方面的教学与科研工作。 天津市北辰区西平道 5 3 4 0 号 河j IS T I I 学( 3 0 0 4 0 1 ) 1 38 2O1 6 7 55 9 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m