基于数值模拟试验的混凝土强度及变形体积效应研究

陈中明,吴相豪（上海海事大学,上海 201306）



基于数值模拟试验的混凝土强度及变形体积效应研究

陈中明,吴相豪
（上海海事大学,上海 201306）

摘 要：采用RFPA2D软件对混凝土试件进行数值模拟试验，研究试件体积对混凝土破坏形态、强度及变形的影响规律。结果表明：混凝土破坏形态随着体积的增加越显复杂化，抗压强度随之非线性减小，而其破坏后的残余强度随之增大。

关键词：混凝土；破坏形态；强度及变形；数值模拟试验

混凝土具有价格低廉，且较好的力学性质和耐久性能等广泛应用于水利工程、土木工程等领域。混凝土的体积效应是指混凝土随着体积的改变强度和变形而发生改变的现象。本文采用数值模型软件RFPA2D，应用随机骨料的细观有限元模型对同长径比不同体积的混凝土材料进行单轴压缩破坏试验数值模拟，从细观层次上出发，研究混凝土破坏形态、强度及变形的影响规律，并探寻混凝土材料体积效应的机理。

1 数值模拟试验

1.1 模型的设计方案

为了研究体积效应对混凝土力材料破坏的影响，数值模型的设计方案为：混凝土式样的长径比为2，随机选取4个混凝土试件做为研究对象，其长度依次为50mm、80mm、100mm、150mm；砂浆基质和骨料的弹性模量分别为25GPa、80GPa；均质度分别为3、6；泊松比取0.25；单轴抗压强度选取30MPa；采用平面应力模型和莫尔—库伦破坏准则，加载方式采用应力控制加载的过程；骨料用随机模型骨料进行生成，骨料的平面表观密度控制在50%左右。

1.2 混凝土数值模型的生成

混凝土模型的生成分为砂浆基质的生成、骨料的随机投放、施加荷载。用RFPA2D软件创建不同体积的混凝土材料试件砂浆基质，对其赋于设定好的力学参数，再利用RFPA2D软件中的随机颗粒功能随机生成混凝土试件中的不同的骨料，最后对整个混凝土材料数值模型运用标准荷载对其进行施加荷载。

2 数值模拟试验结果及分析

2.1 不同体积混凝土数值试件的破坏形态

分别对四种不同体积的混凝土进行了数值模拟，可知：

（1）在荷载较小时，试件基本无明显裂缝产生，随着荷载的增大，局部骨料和砂浆基质之间发生破坏，产生较小的裂缝；继续增加荷载，原有的裂缝产生不稳定的扩展，混凝土裂缝相互贯通，产生宏观的裂缝，并迅速形成连续的裂缝体系，最终试件失去承载能力而破坏；

（2）可以看出，体积最小的试件破坏形态比较单一，体积最大的试件发生了四处较大的破坏，表明混凝土的破坏形态随随体积的增加变得复杂；

（3）整个破坏过程，产生的裂缝数目是不同的，显然可以看见体积越小裂缝数越多，表明混凝土的破坏强度会随着体积的增加而减小，且混凝土产生的裂缝都是围绕着骨料而产生的，骨料基本不发生破坏。

2.2 体积效应对混凝土强度及变形的影响

通过分析得到了四种混凝土试件的应力应变曲线，可以发现，四种混凝土试件的破坏都遵循弹塑性破坏的规律，开始阶段混凝土试件都呈现压实阶段，曲线的斜率随着应力的增加而逐渐增大，这一阶段形成早起的非线性变形阶段，试件基本无裂纹；

随着应变的增加，弹性变形微裂纹产生至稳定，在该阶段应力应变曲线近似为直线的关系，但不同体积的混凝土相同的应变对应的应力大小不同，体积越大，应力越小；

当试件从弹性变形到应力峰值时，这一阶段不同体积混凝土试件中微裂缝基本都出现了巨大的变化，这是因为破坏过程中应力集中对试件所致，不同体积混凝土对应的峰值强度是不同的，25x50mm混凝土试件的峰值强度最大，5x150mm混凝土的峰值强度最小，峰值应力随着体积的增加而逐渐减小，但是当体积增加到一定程度，峰值应力的变化趋于平缓；

峰值强度后，应力随着应变的增加而下降，混凝土试件破坏出现了软化现象，其内部虽然出现了完全破坏，但是试件基本保持整体状态，这阶段四种混凝土的应力应变曲线趋势基本是保持一致；最后随着应力应变的增加，这阶段混凝土在荷载继续增大的情况下出现了继续发生的残余变形，但是四种体积的混凝土出现了不同的残余变形，混凝土体积越小，残余变形越大，但是残余强度越小，但并不会达到0。

3 结论

通过对四种不同体积混凝土试件进行数值模拟试验分析可得如下结论：

（1）混凝土的在荷载作用下破坏实质上是裂缝产生、扩展延伸导致的，骨料的粒径对裂缝的扩展延伸具有一定的阻碍作用，裂缝数随着体积的增加而增加，破坏形态也越显复杂化；

（2）混凝土的抗压强度是随着体积的增加非线性减小的，二者存在一定的函数关系；

（3）混凝土单轴压缩峰值应力随着之随着混凝土的体积增大而减小，残余强度伴随着体积增大而增大。

参考文献：

［1］汤书军.混凝土材料细观力学模型与破坏分析［D］.南京：河海大学,2006.

［2］惠弘毅,李宗利,杨华等.不同强度等级混凝土尺寸效应试验研究［J］.混凝土,2015（07）：31-34.

［3］马怀发,陈厚群,黎保琨.混凝土试件细观结构的数值模拟［J］.水利学报,2004（10）：27-35．

［4］徐积善,何淅淅.混凝土构件体积（尺寸）效应及抗裂塑性系数值得初步分析研究［J］.力学学报,1986,04（18）：364-368.

［5］王向东,徐道远,周栋等.混凝土损伤参数的尺寸效应［J］.合肥工业大学学报（自然科学版）,2005,03（28）：308-310.

［6］过镇海等.混凝土应力—应变全曲线的试验研究［J］.建筑结构学报,1982（0l）：1-12.

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

作者简介：陈中明（1990-），男，安徽池州人，硕士研究生，研究方向：水工结构材料的耐久性。