CN108344634A - 一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法 - Google Patents

一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，包括下述步骤：步骤1，分别建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型；步骤2，将带肋钢筋与混凝土的粘结界面定义为钢筋平滑表面与混凝土接触面以及钢筋肋部与混凝土接触面两部分，其中，钢筋平滑表面与混凝土接触面采用粘结单元连接，钢筋肋部与混凝土接触面采用接触对连接，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接，形成钢筋混凝土构件的整体模型。本方法采用粘结单元与接触对在钢筋与混凝土不同接触面协同工作的方式对不同类型的钢筋混凝土粘结界面作用力进行了模拟，获得的钢筋混凝土整体模型非常适合于模拟分析钢筋混凝土拉拔破坏过程。

Description

一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法
技术领域
本发明公开一种建模方法，具体涉及一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，属于混凝土材料力学性能仿真模拟领域。
背景技术
钢筋混凝土是工程中常用的构件形式，钢筋和混凝土之间粘结力的减弱丧失会对结构安全造成严重威胁。目前，钢筋混凝土界面间粘结滑移的数模模拟主要有两类方法：第一类是对钢筋混凝土界面采用接触分析，对变形钢筋横肋一般进行简化建模，在其与混凝土之间引入接触单元，并定义接触的摩擦系数，但该模型所引用的摩擦系数与肋高均为经验值，带有很大的主观随意性；第二类模型是在钢筋和混凝土之间插入粘结单元，相比于第一类方法，该模型的传力路径比较清晰且计算容易收敛，但由于接触界面简化为了节点之同的粘结单元，故界面附近的混凝土应力会与实际值有所偏差，且由于钢筋被简化为了杆单元，其无法承受剪切力作用。
发明内容
发明目的：针对现有钢筋混凝土界面数值模拟方法中的缺陷，本发明提供一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，该方法采用接触对与粘结单元协同建模以模拟钢筋混凝土界面的粘结性能，从而可充分模拟分析钢筋混凝土劈裂破坏的细观机理。
技术方案：本发明所述的一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，包括如下步骤：
步骤1，分别建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型；
步骤2，将带肋钢筋与混凝土的粘结界面定义为钢筋平滑表面与混凝土接触面以及钢筋肋部与混凝土接触面两部分，其中，钢筋平滑表面与混凝土接触面采用粘结单元连接，钢筋肋部与混凝土接触面采用接触对连接，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接形成钢筋混凝土细观三维模型。
钢筋平滑表面与混凝土接触面为沿钢筋纵向的与混凝土接触的表面，主要承受化学粘结力与摩擦力作用，在该接触面设置粘结单元作为过渡单元，模拟钢筋与混凝土之间的相互作用，把钢混之间的化学粘结力及摩擦力等效为了各个方向上的弹簧作用，作用力的变化规律符合拉伸——张开法则，弹簧位移即钢筋和混凝土之间的相对位移。钢筋肋部与混凝土之间的接触面为垂直于钢筋纵向的与混凝土接触的表面，主要承受机械咬合力，在该接触面设置接触对来表现机械咬合力的作用。
步骤1中，混凝土的空间多相细观模型为包含骨料、砂浆体以及骨料-砂浆界面过渡区(简称“ITZ区”)三个部分的混凝土细观模型，其建立方法为：
步骤11，确定混凝土细观模型尺寸和球形骨料的投放区域范围；
步骤12，随机生成分散的骨料空间位置及半径参数，再据此推算出各个骨料球体对应的内、外过渡区及ITZ区域球体半径参数，绘制出骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件及ITZ内部网格过渡区部件；
步骤13，按骨料投放区生成砂浆部件的原始区域，切除砂浆部件中预留给钢筋部分的区域，并挖去ITZ外围网格过渡区部件、得到砂浆部件；
步骤14，将骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件、ITZ内部网格过渡区部件及砂浆部件五个部分按对应的空间位置进行组合，得到混凝土空间多相细观模型。
上述步骤12中，在骨料投放区域范围内随机生成各个骨料位置及半径后，判断各个骨料之间及骨料与投放区域边界是否相离；避免骨料重叠。
其中，步骤12中，确定各骨料球体的半径参数、对应的内、外过渡区及ITZ区域球体半径参数后，在每个骨料所在的空间位置对应生成四个共用球心位置半径不同的球体，四个球体采取大球中挖去小球体的方式，得到最内的骨料核心区球体、ITZ内部过渡区球壳、中层的ITZ区域球壳及外围的ITZ外围过渡区球壳；然后将骨料投放区域内所有有效部件对应归并在四个统一的集合中，分别为骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件及ITZ内部网格过渡区部件。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于，(1)本发明方法采用粘结单元与接触对在钢筋与混凝土不同接触面协同工作的方式对不同类型的钢筋混凝土粘结界面作用力进行了模拟，建立了钢筋混凝土粘结面协同建模方法，最终得到的钢筋混凝土构件的整体模型可以准确模拟钢筋混凝土劈裂破坏的问题，提高了钢筋混凝土劈裂破坏的模拟精度，非常适合于模拟钢筋混凝土拉拔破坏过程；(2)本发明提供了混凝土细观建模的新方法，该方法可充分模拟混凝土的细部结构，根据该混凝土模型建立的钢筋混凝土细观三维模型，不仅可以模拟钢筋混凝土界面的破坏细节，而且通过细观建模的方式达到了模拟钢筋拉拔过程中混凝土细观分组破坏的效果，可实现钢筋混凝土拉拔破坏的精细化分析。
附图说明
图1为本发明的一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法的流程图；
图2为球体骨料区域划分示意图；
图3为球体骨料在砂浆中空间投放示意图；
图4为钢筋的几何参数示意图；
图5为钢筋与混凝土区域组合示意图；
图6为粘结单元绑扎约束模型；
图7为粘结单元作用机理示意；
图8为钢筋混凝土界面粘结接触模型示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，在有限元技术、损伤力学理论、接触理论的基础上，使用接触对与粘结单元共同模拟钢筋与混凝土之间的粘结界面，而且将带肋钢筋与混凝土空间细观模型相互连接，从而可实现钢筋与混凝土界面的协同建模。利用这个方法可以实现钢筋混凝土拉拔过程中劈裂破坏的细观模拟，可用于分析钢筋混凝土破坏的细观机理。
如图1，本发明的一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，使用接触对与粘结单元模拟钢筋混凝土界面的粘结性能，具体包括以下步骤：
步骤1，分别建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型；
步骤2，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接形成钢筋混凝土构件的细观三维模型。
步骤1中，将混凝土空间多相细观模型为包含骨料、砂浆体以及骨料-砂浆界面过渡区(即ITZ区)三个部分的混凝土细观模型，其建立方法可包括如下步骤：
(1)首先确定混凝土细观模型尺寸和球形骨料的投放区域范围，然后随机生成分散的骨料空间位置及半径参数(判断各个骨料之间及骨料与投放区域边界是否相离，避免骨料重叠)，再根据各骨料位置及半径参数推算出各骨料球体对应的内、外过渡区及ITZ区域球体半径参数；在每个骨料所在的空间位置对应生成四个共用球心位置半径不同的球体，四个球体采取大球中挖去小球体的方式，得到最内的骨料核心区球体、ITZ内部过渡区球壳、中层的ITZ区域球壳及外围的ITZ外围过渡区球壳，然后将骨料投放范围内所有有效部件归并在四个统一的集合中，称为骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件及ITZ内部网格过渡区部件；
(2)按骨料投放区域生成砂浆部件的原始区域，切除砂浆部件中预留给钢筋部分的区域，并挖去ITZ外围网格过渡区部件、得到砂浆部件，将骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件、ITZ内部网格过渡区部件及砂浆部件五个部分按对应的空间位置进行组合，得到混凝土空间多相细观模型。
步骤2中，带肋钢筋可分为钢筋各平滑表面以及钢筋肋部两个部分，对应的，钢筋混凝土构件中，钢筋与混凝土的粘结界面可分为两部分，如图8：
第一部分是钢筋各平滑表面与混凝土接触面，即沿钢筋纵向的与混凝土接触面的表面，该部分钢筋与混凝土之间的相互作用以化学胶着力及摩擦力为主，在该接触面设置粘结单元，利用粘结单元作为两者之间的作用力传递的介质，将化学粘结力与摩擦力等效为各方向上的弹簧作用，作用力的变化规律符合拉伸——张开法则，弹簧位移即钢筋和混凝土之间的相对位移；
第二部分是钢筋肋部与混凝土的接触面，即垂直于钢筋纵向的与混凝土接触的表面，与混凝土之间的相互作用以机械咬合力为主，在该接触面设置接触对来表现机械咬合力的作用。
采用粘结单元与接触对在钢筋与混凝土不同接触面协同工作的方式对不同类型的钢筋混凝土粘结界面作用力进行了模拟，最终得到的钢筋混凝土构件的整体模型可以准确模拟钢筋混凝土劈裂破坏的问题，提高了钢筋混凝土劈裂破坏的模拟精度，非常适合于模拟钢筋混凝土拉拔破坏过程。
实施例
步骤1，建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型；
(a)根据钢筋拉拔试验所需要测定的混凝土试件与钢筋的实际几何尺寸及构件整体的宏观对称性，确定混凝土区域的范围xu、xd、yu、yd、zu、zd及钢筋数值模型的几何尺寸d、肋高hr、肋间距Cr；
(b)由混凝土及钢筋的几何尺寸，根据混凝土结构设计规范的相关要求并考虑混凝土拌合过程中的表面效应，确定球形骨料的投放区域范围xmax、xmin、ymax、ymin、zmax及zmin；
(c)在随机生成方法确定各个骨料球心位置的空间坐标及骨料粒径，并判断各个骨料之间及骨料与投放区域边界是否相离；
(d)借助所得到的有效参数分别生成球形骨料及砂浆区域部件，再组合为混凝土的空间多相细观模型；其中，球形骨料的区域划分如图2，由内而外依次为骨料核心区1、ITZ内部网格过渡区2、ITZ区域3和ITZ外围网格过渡区4，组合形成的混凝土细观模型如图3；
(e)根据实际几何参数(几何尺寸d、肋高hr、肋间距Cr)绘制带肋变形钢筋实体，如图4。
步骤2，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接形成钢筋混凝土构件的整体模型。
(f)将钢筋与混凝土区域组合为钢筋混凝土构件整体模型，如图5；
(g)将钢筋分为两个区域，第一个区域为钢筋的各纵向平滑表面，与混凝土之间的相互作用以化学胶着力及摩擦力为主，利用图6的粘结单元作为两者之间的作用力传递的介质，其作用原理与图7所示的弹簧连接方式相似，其变化规律符合拉伸-张开法则；
(h)钢筋第二部分区域为钢筋的肋部，带肋钢筋和混凝土之间的机械咬合力主要在该区域进行传递，设定其为接触对；
(i)最终由粘结单元和接触对组成形成的钢筋与混凝土粘结界面的模型如图8。

Claims (4)

1.一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，分别建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋三维模型；
步骤2，将带肋钢筋与混凝土的粘结界面定义为钢筋平滑表面与混凝土接触面以及钢筋肋部与混凝土接触面两部分，其中，钢筋平滑表面与混凝土接触面设置粘结单元、用于模拟钢筋与混凝土之间的化学粘结力及摩擦力，钢筋肋部与混凝土接触面设置接触对、用于模拟机械咬合力，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接形成钢筋混凝土细观三维模型。
2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土细观三维模型建模方法，其特征在于，步骤1中，所述混凝土的空间多相细观模型为包含骨料、砂浆体以及ITZ区三个部分的混凝土细观模型，其建立方法为：
步骤11，确定混凝土细观模型尺寸和球形骨料的投放区域范围；
步骤12，随机生成分散的骨料空间位置及半径参数，再据此推算出各个骨料球体对应的内、外过渡区及ITZ区域球体半径参数，绘制出骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件及ITZ内部网格过渡区部件；
步骤13，按骨料投放区域生成砂浆部件的原始区域，切除砂浆部件中预留给钢筋部分的区域，并挖去ITZ外围网格过渡区部件、得到砂浆部件；
步骤14，将骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件、ITZ内部网格过渡区部件及砂浆部件五个部分按对应的空间位置进行组合，得到混凝土空间多相细观模型。
3.根据权利要求2所述的钢筋混凝土细观三维模型建模方法，其特征在于，步骤12中，确定各骨料球体的半径参数、对应的内、外过渡区及ITZ区域球体半径参数后，在每个骨料所在的空间位置对应生成四个共用球心位置半径不同的球体，四个球体采取大球中挖去小球体的方式，得到最内的骨料核心区球体、ITZ内部过渡区球壳、中层的ITZ区域球壳及外围的ITZ外围过渡区球壳；然后将骨料投放区域内所有有效部件对应归并在四个统一的集合中，分别为骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件及ITZ内部网格过渡区部件。
4.根据权利要求2所述的钢筋混凝土细观三维模型建模方法，其特征在于，步骤12中，在骨料投放区域范围内随机生成各个骨料位置及半径后，判断各个骨料之间及骨料与投放区域边界是否相离。
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