混凝土是目前工業(yè)與民用結構中最主要的工程材料,廣泛應用于各種基礎設施建設。為了更好地對混凝土材料和結構進行優(yōu)化設計和安全評估,亟需對混凝土材料的多尺度力學特性進行系統(tǒng)研究。在細觀尺度上,混凝土是一種由骨料、砂漿、孔洞等組成的多相復合材料,其細觀結構的非均質性導致了其宏觀力學行為的非線性和隨機性。對混凝土進行細觀模擬十分必要,這有助于探究各相與宏觀力學行為之間的關聯(lián),以深入理解復雜的混凝土損傷斷裂機理。本文首先基于混凝土原位X射線斷層掃描(XCT)試驗獲得的細觀圖像,建立具有真實細觀結構的三維有限元模型,采用連續(xù)損傷塑性模型進行損傷斷裂模擬,并與原位XCT類劈裂試驗直接對比驗證,獲得與試驗吻合較好的荷載-位移曲線與裂縫分布。進而對單軸受壓與受拉工況進行模擬,結果也表明該模型能夠有效地模擬混凝土內(nèi)部復雜的損傷斷裂過程,反映其細觀結構對宏觀力學特性的影響,揭示裂縫形成與發(fā)展的細觀機理。其次,采用基于XCT圖像的細觀混凝土模型,研究了混凝土在不同應變率沖擊荷載下的動態(tài)破壞特性。通過蒙特卡洛模擬,從統(tǒng)計意義上研究了應變率與細觀非均質對混凝土宏觀動態(tài)力學特性的影響。提出了考慮均值與標準差的動態(tài)強度放大系數(shù)-應變率關系式,與試驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗公式吻合良好。研究表明,該模型能夠有效地反映與揭示混凝土復雜的動態(tài)損傷破壞機理,隨著應變率的提高,裂縫傾向于連通試件內(nèi)部孔洞,形成彌散的復雜裂縫網(wǎng)絡;動態(tài)抗壓強度與孔洞含量的負相關性增強,表明高應變率下孔洞對混凝土的劣化效應更加顯著。第三,提出了 一種高效的有限元法(FEM)與比例邊界有限元法(SBFEM)的耦合方法用于細觀混凝土斷裂的模擬。開發(fā)了 SBFE多邊形單元的用戶自定義單元(UEL)子程序,首次實現(xiàn)了半解析的SBFEM在ABAQUS中的應用。由于SBFE多邊形(子域)的形狀十分靈活,一個骨料采用一個或少量SBFE多邊形模擬,而且多邊形僅在骨料邊界離散,這大大減少了自由度;SBFEM解的半解析特性也保證了計算精度。另外,砂漿采用傳統(tǒng)FE單元模擬,砂漿中和骨料-砂漿界面上的裂縫擴展由離散粘結裂縫單元模擬。若干典型算例證明了 FE-SBFE耦合方法在混凝土細觀非線性斷裂模擬的有效性。第四,針對含隨機骨料和孔洞的混凝土細觀結構,開發(fā)了全SBFE多邊形網(wǎng)格生成程序,提出了基于SBFEM的細觀混凝土均勻化算法。利用SBFEM的半解析特性,推導了體積平均應力的半解析積分形式。結果表明,基于SBFEM的均勻化方法顯著降低了自由度數(shù)量,同時其半解析特性又保證了結果的高精度。通過蒙特卡洛模擬,研究了細觀非均質性對混凝土宏觀等效彈性參數(shù)的統(tǒng)計影響,提出考慮孔洞影響的尺寸效應公式,與試驗結果吻合良好。最后,采用Python編寫程序,利用ABAQUS腳本接口進行前處理二次開發(fā),考慮骨料實際級配,有效地建立了多面體隨機骨料幾何模型并進行有限元網(wǎng)格劃分。通過自編C++程序在多面體骨料-砂漿界面上以及砂漿中高效插設零厚度的離散粘結裂縫單元,基于ABAQUS成功模擬了三維裂縫的起裂與擴展。深入分析材料斷裂參數(shù)(抗拉強度與斷裂能)對荷載-位移曲線、斷裂過程、裂縫面特征以及裂縫寬度的影響。研究表明,混凝土的力學響應反映其裂縫發(fā)展特征,二者既決定于材料斷裂參數(shù),也受到骨料大小、形狀等細觀結構因素的影響,建立的模型能夠有效反映混凝土的復雜三維斷裂過程。全文進行了數(shù)值模擬、理論推導并與試驗對比驗證,旨在為細觀混凝土模擬提出新的思路,開辟SBFEM新的應用領域,為多尺度下的混凝土斷裂力學特性奠定研究基礎。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TU528
【部分圖文】：

ＸＣＴ技術廣泛應用于醫(yī)學診斷以及材料無損檢測等領域。ＸＣＴ系統(tǒng)主要由逡逑物理成像與圖像重建等相關設備姐成，本節(jié)對ＸＣＴ技術的基本原理做簡要介紹。逡逑如圖２．１所示，試件放置在Ｘ射線源與探測器之間，保持試件與設備位置固逡逑定，射線源發(fā)射Ｘ射線穿過試件，最后到達探測器而被記錄，得到一張二維投逡逑影圖像［１６１］。掃描過程中，試件按一定速率繞豎直軸旋轉，累計旋轉３６０°，生成逡逑一系列的二維投影圖像數(shù)據(jù)，繼而通過圖像重建算法計算線性衰減系數(shù)（ｌｉｎｅａｒ逡逑ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）的空間分布并產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)。逡逑在實施掃描前，要進行試件安放、機器預熱、掃描初始設置、能量校驗、曝逡逑１５逡逑

共產(chǎn)生２０００張投影圖像，有效分辨率為３７．２邋｜ｉｍ。逡逑當荷載達到峰值１６．５邋ｋＮ時（即第５個掃描步；），試件表面出現(xiàn)劈裂形態(tài)的宏逡逑觀裂縫。此后，試件所能承受的荷載持續(xù)減小。圖２．４顯示了荷載－位移曲線。逡逑１９逡逑

１ｓｔ邋ｓｃａｎ邐Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋（ｍｍ）逡逑圖２．４原位ＸＣＴ試驗的荷載－位移曲線［９９］逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｔｈｅ邋ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎ－ｓｉｔｕ邋ＸＣＴ邋ｔｅｓｔ［９９】逡逑２．３．２圖像重建與材料分割逡逑以初始狀態(tài)混凝土試塊的掃描數(shù)據(jù)為例，將獲得的一系列二維投影圖像導入逡逑配套軟件ＣＴ邋Ｐｒｏ與ＶＧ邋Ｓｔｕｄｉｏ，進行圖像重建。為了消除試件粗糙表面的影響，逡逑需要將重建所得三維數(shù)字圖像的邊界略作切削，得到３７．２ｘ３７．２ｘ３７．２邋＿３的立方逡逑體。同時，考慮到原始數(shù)據(jù)有２０００張投影圖像（大約１５邋ＧＢ），在圖像重建過程中逡逑保持分辨率３７．２叫ｎ不變的情況下作縮減操作，將投影圖像減少為１０００張（大約逡逑有２邋ＧＢ）。上述圖像重建的過程如圖２．５所示。逡逑：Ｆy﹀義希櫻澹潁椋澹簀澹錚駑澹穡潁錚輳澹悖簦椋錚鑠澹椋恚幔紓澹簀危常膩澹椋恚幔紓邋澹幔媯簦澹蟈澹潁澹悖錚睿螅簦潁酰悖簦椋錚鑠危常膩澹椋恚幔紓邋澹幔媯簦澹蟈澹恚錚洌椋媯椋悖幔簦椋錚鑠義賢跡玻低ü茫藻澹校潁鎘耄鄭清澹櫻簦酰洌椋鋃醞隊巴枷窠兄亟ㄥ義希疲椋紓澹玻靛澹桑恚幔紓邋澹潁澹悖錚睿螅簦潁酰悖簦椋錚鑠澹簦瑁潁錚酰紓楨澹茫藻澹校潁镥澹幔睿溴澹鄭清澹櫻簦酰洌椋镥義希玻板義

本文編號：2821707