陳中明,吳相豪（上海海事大學(xué),上海 201306）

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基于數(shù)值模擬試驗(yàn)的混凝土強(qiáng)度及變形體積效應(yīng)研究

陳中明,吳相豪
（上海海事大學(xué),上海 201306）

摘 要：采用RFPA2D軟件對混凝土試件進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究試件體積對混凝土破壞形態(tài)、強(qiáng)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(fù)雜化，抗壓強(qiáng)度隨之非線性減小，而其破壞后的殘余強(qiáng)度隨之增大。

關(guān)鍵詞：混凝土；破壞形態(tài)；強(qiáng)度及變形；數(shù)值模擬試驗(yàn)

混凝土具有價(jià)格低廉，且較好的力學(xué)性質(zhì)和耐久性能等廣泛應(yīng)用于水利工程、土木工程等領(lǐng)域?；炷恋捏w積效應(yīng)是指混凝土隨著體積的改變強(qiáng)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(yīng)用隨機(jī)骨料的細(xì)觀有限元模型對同長徑比不同體積的混凝土材料進(jìn)行單軸壓縮破壞試驗(yàn)數(shù)值模擬，從細(xì)觀層次上出發(fā)，研究混凝土破壞形態(tài)、強(qiáng)度及變形的影響規(guī)律，并探尋混凝土材料體積效應(yīng)的機(jī)理。

1 數(shù)值模擬試驗(yàn)

1.1 模型的設(shè)計(jì)方案

為了研究體積效應(yīng)對混凝土力材料破壞的影響，數(shù)值模型的設(shè)計(jì)方案為：混凝土式樣的長徑比為2，隨機(jī)選取4個(gè)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(qiáng)度選取30MPa；采用平面應(yīng)力模型和莫爾—庫倫破壞準(zhǔn)則，加載方式采用應(yīng)力控制加載的過程；骨料用隨機(jī)模型骨料進(jìn)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(jī)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(shè)定好的力學(xué)參數(shù)，再利用RFPA2D軟件中的隨機(jī)顆粒功能隨機(jī)生成混凝土試件中的不同的骨料，最后對整個(gè)混凝土材料數(shù)值模型運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)荷載對其進(jìn)行施加荷載。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)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(jìn)行了數(shù)值模擬，可知：

（1）在荷載較小時(shí)，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(kuò)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(fù)雜；

（3）整個(gè)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(qiáng)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(yīng)對混凝土強(qiáng)度及變形的影響

通過分析得到了四種混凝土試件的應(yīng)力應(yīng)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(shí)階段，曲線的斜率隨著應(yīng)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(yīng)變的增加，彈性變形微裂紋產(chǎn)生至穩(wěn)定，在該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線近似為直線的關(guān)系，但不同體積的混凝土相同的應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力大小不同，體積越大，應(yīng)力越??；

當(dāng)試件從彈性變形到應(yīng)力峰值時(shí)，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?yàn)槠茐倪^程中應(yīng)力集中對試件所致，不同體積混凝土對應(yīng)的峰值強(qiáng)度是不同的，25x50mm混凝土試件的峰值強(qiáng)度最大，5x150mm混凝土的峰值強(qiáng)度最小，峰值應(yīng)力隨著體積的增加而逐漸減小，但是當(dāng)體積增加到一定程度，峰值應(yīng)力的變化趨于平緩；

峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力隨著應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢基本是保持一致；最后隨著應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)度越小，但并不會達(dá)到0。

3 結(jié)論

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

（1）混凝土的在荷載作用下破壞實(shí)質(zhì)上是裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展延伸導(dǎo)致的，骨料的粒徑對裂縫的擴(kuò)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(fù)雜化；

（2）混凝土的抗壓強(qiáng)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(guān)系；

（3）混凝土單軸壓縮峰值應(yīng)力隨著之隨著混凝土的體積增大而減小，殘余強(qiáng)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(gòu)材料的耐久性。