CN113092248A - 一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，包括：基于随机骨料算法和孔隙测试数据的长龄期混凝土多自由度三维格构模型的构建；根据长龄期混凝土的水泥浆体水化试验和长龄期混凝土力学试验建立长龄期混凝土水化‑力学耦合模型；采用耦合格构模型，针对长龄期混凝土进行数值模拟实验，并得到长龄期混凝土在长期应力状态下的力学性能。本发明通过对长龄期混凝土进行基于耦合格构模型的数值模拟，可以快速、有效的模拟和预测长龄期混凝土的力学性能演化和开裂过程。

Description

一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法
技术领域
本发明属于混凝土数值仿真模拟研究的技术领域，具体涉及一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法。
背景技术
长龄期混凝土在水利工程中是一种重要的材料，被广泛用于混凝土重力坝和拱坝，不同于常态混凝土设计龄期为28天，长龄期混凝土通常可达90天到180天，由于其水泥水化过程较为缓慢，故其强度增长也是缓慢的，在这样的长龄期条件下，长龄期混凝土结构容易在长期荷载条件下，因为长龄期强度增长缓慢等原因导致开裂。而混凝土作为非均质材料，其中的孔隙，微裂纹等结构弱相也会大大削弱混凝土的强度与承载力。通常，在长期持荷载状态下，孔洞会联通，产生微小裂纹，这些裂纹严重危害着混凝土坝的健康状态，缩短其服役年限，因此在模拟过程中，需要考虑混凝土水化-力学性能演化和混凝土细微结构的共同影响。近年来，随着数值模拟手段的发展，将混凝土中水泥基材料的水化特性与混凝土力学演变性能结合起来的耦合模型受到广泛关注，但由于一般的模型存在自由度高的问题，且受限于计算机性能的限制，基本上局限于二维，对三维数值试样的水化-力学耦合性能演化高效快速模拟一直是个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，该方法可以高效快速地模拟长龄期混凝土在长龄期水化过程中各个龄期的力学性能和开裂过程。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，包括如下步骤：
步骤1：根据待模拟长龄期混凝土的水泥基底材料的配合比，进行水泥浆体的水化热试验，获取水泥基底材料的水化曲线，并建立水化度与龄期之间的关系；
步骤2：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，配制浇筑形成实验室尺寸的混凝土试件；按照标准程序养护，并对不同养护龄期的混凝土试件进行力学性能测试，获取相对较早龄期(如7天/28天)的长龄期混凝土的力学参数；
步骤3：将进行过力学性能测试后破坏的混凝土碎屑收集起来，进行混凝土孔隙分布测试，以获得混凝土内部的孔隙特征分布；
步骤4：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，建立混凝土随机骨料模型，该骨料模型由骨料单元、界面过渡区单元和砂浆单元组成；然后根据步骤3测得的混凝土的孔隙分布，参照混凝土随机骨料模型的单元尺寸分辨率，确定待模拟孔隙尺寸的模拟范围；然后在混凝土随机骨料模型的基础上，建立考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，并将其转化为多自由度格构模型；
步骤5：根据长龄期混凝土的力学性能测试和水化热测试结果，采用混凝土长龄期水化-力学耦合公式模拟长龄期混凝土水化-力学演化过程，并作为材料特征参数代入多自由度格构模型中，形成可模拟长龄期混凝土水化-力学耦合演化过程的耦合格构模型；
步骤6：根据长龄期混凝土的实际运行的力学环境和龄期情况，采用耦合格构模型进行长龄期混凝土的各龄期力学性能和开裂过程模拟。
进一步地，步骤4还包括如下步骤：
步骤4-1，确定待模拟计算的长龄期混凝土尺寸，整个模拟的计算域为长方体，边长分别为A/B/C；
步骤4-2，在步骤4-1确定的计算域中，采用多面体模拟骨料，根据并进行随机投放；根据长龄期混凝土配合比，在计算域内随机投放骨料；然后将整个计算域进行有限元网格划分，单元为边长为x的小立方体单元，整个计算域划分成a×b×c个小立方体单元，其中a＝A/x，b＝B/x，c＝C/x；
步骤4-3，根据每个骨料多面体的内部空间与小立方体单元的几何关系，判断每一个小立方体单元的属性，规则为若小立方体单元的体心在多面体骨料内，则识别成骨料单元，若不在则暂不进行识别；在判断每一个小立方体单元的属性的基础上，将识别成的骨料单元向骨料外法向扩展一个骨料单元，该范围形成界面过渡区单元；整个计算域内所有的小立方体单元，除去骨料单元与界面过渡区单元外，剩下的作为砂浆基质单元，三者共同组成混凝土随机骨料模型；
步骤4-4，在步骤3测得的孔隙分布的基础上，采用小立方体单元的边长x作为截断孔直径，即待模拟孔隙尺寸的模拟范围为大于等于x，小于等于最大孔隙的直径；
步骤4-5，在步骤4-4的基础上，按照待模拟孔隙尺寸的模拟范围，在步骤4-3建立的混凝土随机骨料模型的基础上，在砂浆基质单元和界面过渡区单元中，删除部分单元作为孔隙，考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型；
步骤4-6，将考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型转变为可计算的多自由度格构模型，其目的是为了解决三维实体单元的对计算资源要求极高的问题，其转变方法如下：提取随机孔隙模型中的每一个小立方体单元的体心和节点坐标，按照多自由度格构模型的规则构建体心和节点之间连接的拓扑关系，并基于此生成多自由度格构模型；
更进一步地，步骤4-6所述的多自由度格构模型的规则为，将考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型的每一个小立方体单元，提取其体心和单元顶点坐标，按照小立方体单元12条棱形成12根杆单元，8个节点与体心连接形成8个杆单元，体心与相邻最近的所有小立方体单元体心分别相连形成杆单元，形成多自由度格构模型。
进一步地，步骤5所述的混凝土长龄期水化-力学耦合公式为：
Figure BDA0002989202070000031
Figure BDA0002989202070000032
式中，β1、β2、β3、
Figure BDA0002989202070000033
为水化热试验拟合参数，可以从水化热速率曲线中获得，e为自然常数，ξ为混凝土在龄期t水化度，ξ∞为混凝土最终水化度,Ea为反应活化能，R为理想气体常数，T为混凝土的热力学温度，E为混凝土弹性模量，E∞为混凝土最终弹性模量，可以从力学参数的曲线中外延得到,a和b为力学试验拟合参数，可以从力学试验的曲线中获得，Age为混凝土龄期。
进一步的，步骤6所述的耦合格构模型，是在计算过程中，根据混凝土的养护龄期，带入混凝土长龄期水化-力学耦合公式，获得长龄期混凝土的弹性模量参数后，作为材料参数输入到多自由度格构模型中，形成耦合格构模型，在计算过程中，通过对杆单元受力状态的判断来模拟混凝土的断裂与损伤过程。
本发明的有益效果：
本发明通过对长龄期混凝土进行基于耦合格构模型的数值模拟，可以快速、有效的模拟和预测长龄期混凝土的力学性能演化和开裂过程。本发明提供一种基于混凝土中水化特性与混凝土力学演变性能结合起来的耦合模型的解决方案，该方法拟合可靠性好，预测效果良好，具有极大的应用价值和研究价值。本发明提供的方法为混凝土性能的模拟研究提供一种新思路。
附图说明
图1为本发明实施例的模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例的水泥基底材料的龄期与水化度关系曲线图；
图3为本发明实施例的考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型；
图4为本发明实施例的多自由度格构模型；
图5为本发明实施例中长龄期混凝土弹性模量与水化度的关系图；
图6为本发明实施例中耦合格构模型的应力-应变曲线与裂纹分布图；
图7为本发明实施例中耦合格构模型得到的强度与其他模型的对比图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
鉴于现有技术中无法高效的进行长龄期混凝土的数值模拟预测，本发明提供了一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，其模拟流程图如图1所示，包含如下步骤：
步骤1：根据待模拟长龄期混凝土的水泥基底材料的配合比，进行水泥浆体的水化热试验，获取水泥基底材料的水化曲线，并建立水化度与龄期之间的关系；
本实施例中，选取的长龄期混凝土的配合比如表1所示，进行水泥浆体的水化热试验曲线后换算得到的长龄期混凝土水泥基底材料的龄期与水化度关系曲线图如图2所示；
表1长龄期混凝土配合比表(单位：kg/m3)
Figure BDA0002989202070000041
步骤2：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，配制浇筑形成实验室尺寸的混凝土试件；按照标准程序养护，并对不同养护龄期的混凝土试件进行力学性能测试，获取相对较早龄期(如7天/28天)的长龄期混凝土的力学参数，本实施例中，混凝土抗压强度的试验值分别为18.5MPa(7天)和24.6MPa(28天)；
步骤3：将进行过力学性能测试后破坏的混凝土碎屑收集起来，进行混凝土孔隙分布测试，以获得混凝土内部的孔隙特征分布；
步骤4：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，建立混凝土随机骨料模型；然后根据步骤3测得的混凝土的孔隙分布，参照混凝土随机骨料模型的单元尺寸分辨率，确定待模拟孔隙尺寸的模拟范围；然后在混凝土随机骨料模型的基础上，建立考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，并将其转化为多自由度格构模型；
本实施例中，步骤4-1，确定待模拟计算的长龄期混凝土尺寸，整个模拟的计算域为长方体，边长分别为A/B/C；分别为A＝100mm,B＝100mm,C＝100mm；步骤4-2，在步骤4-1确定的计算域中，采用多面体模拟骨料，根据并进行随机投放；根据长龄期混凝土配合比，在计算域内随机投放骨料；然后将整个计算域进行有限元网格划分，单元为边长为x的小立方体单元,实施例中，x＝2mm，整个计算域划分成a×b×c个小立方体单元,其中a＝A/x＝50,b＝B/x＝50,c＝C/x＝50；根据每个骨料多面体的内部空间与小立方体单元的几何关系，判断每一个小立方体单元的属性，规则为若小立方体单元的体心在多面体骨料内，则识别成骨料单元，若不在则暂不进行识别；在判断每一个小立方体单元的属性的基础上，将识别成的骨料单元向骨料外法向扩展一个单元，该范围形成界面过渡区单元；整个计算域内所有的小立方体单元，除去骨料单元与界面过渡区单元外，剩下的作为砂浆基质单元，三者共同组成混凝土随机骨料模型；
步骤4-4，在步骤3测得的孔隙分布的基础上，采用小立方体单元的边长x作为截断孔直径，即待模拟孔隙尺寸的模拟范围为大于等于x，小于等于最大孔隙的直径；生成的随机骨料模型及内部包含的单元如图3所示；
步骤4-5，在步骤4-4的基础上，按照待模拟孔隙尺寸的模拟范围，在步骤4-3建立的混凝土随机骨料模型的基础上，在砂浆基质单元和界面过渡区单元中，删除部分单元作为孔隙，考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型；
步骤4-6，将考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型转变为可计算的多自由度格构模型，其目的是为了解决三维实体单元的对计算资源要求极高的问题，其转变方法如下：提取随机孔隙模型中的每一个小立方体单元的体心和节点坐标，按照多自由度格构模型的规则构建体心和节点之间连接的拓扑关系，并基于此生成多自由度格构模型；生成的多自由度格构模型如图4所示。
步骤5：根据长龄期混凝土的力学性能测试和水化热测试结果，采用混凝土长龄期水化-力学耦合公式模拟长龄期混凝土水化-力学演化过程，并作为材料特征参数代入多自由度格构模型中，形成可模拟长龄期混凝土水化-力学耦合演化过程的耦合格构模型，相应的长龄期混凝土弹性模量与水化度的关系图如图5所示；
步骤6：根据长龄期混凝土的实际运行的力学环境和龄期情况，采用耦合格构模型进行长龄期混凝土的开裂模拟。
在本实施例中，根据耦合格构模型计算的90天龄期抗压强度,采用单轴压缩试验，计算得到的混凝土裂纹分布如图6所示。图7中对比了混凝土抗压强度的实测值(7天、28天龄期)、国际知名软件虚拟仿真实验室软件VCCTL模拟的强度值(7天、28天、90天龄期)和本发明专利实施例中采用耦合格构模型的强度模拟值，可知，本发明方法的预测效果良好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据待模拟长龄期混凝土的水泥基底材料的配合比，进行水泥浆体的水化热试验，获取水泥基底材料的水化曲线，并建立水化度与龄期之间的关系；
步骤2：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，配制浇筑形成实验室尺寸的混凝土试件；按照标准程序养护，并对不同养护龄期的混凝土试件进行力学性能测试，获取不同龄期的混凝土的力学参数；
步骤3：将进行力学性能测试后破坏的混凝土碎屑收集起来，进行混凝土孔隙分布测试，以获得混凝土内部的孔隙特征分布；
步骤4：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，建立混凝土随机骨料模型，该骨料模型由骨料单元、界面过渡区单元和砂浆单元组成；然后根据步骤3测得的混凝土的孔隙分布，参照混凝土随机骨料模型的单元尺寸分辨率，确定待模拟孔隙尺寸的模拟范围；然后在混凝土随机骨料模型的基础上，建立考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，并将其转化为多自由度格构模型；
步骤5：根据长龄期混凝土的力学性能测试和水化热测试结果，采用混凝土长龄期水化-力学耦合公式模拟长龄期混凝土水化-力学演化过程，并作为材料特征参数代入多自由度格构模型中，形成可模拟长龄期混凝土水化-力学耦合演化过程的耦合格构模型；
步骤6：根据长龄期混凝土的实际运行的力学环境和龄期情况，采用耦合格构模型进行长龄期混凝土的各龄期力学性能和开裂过程模拟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的随机骨料模型，采用多面体模拟骨料进行随机投放的形式进行模型的构建。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的构建流程为，先确定待模拟计算的长龄期混凝土尺寸，即模拟的计算域，该计算域为长方体，三边长为A/B/C；根据长龄期混凝土配合比，在计算域内随机投放骨料；将计算域有限元剖分为边长x的小立方体单元，即整个计算域划分成a×b×c个小立方体单元，其中a＝A/x，b＝B/x，c＝C/x；再根据每个多面体骨料的内部空间与小立方体单元的几何关系，判断每一个小立方体单元的属性，规则为若小立方体单元的体心在多面体骨料内，则识别成骨料单元，若不在则暂不进行识别；在判断完所有的多面体骨料的基础上，将识别成的骨料单元向骨料外法向方向扩展一个单元的范围，该范围形成界面过渡区单元；整个计算域内所有的小立方体单元，除去骨料单元与界面过渡区单元外，剩下的作为砂浆基质单元，三者共同组成混凝土随机骨料模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的随机骨料模型单元尺寸分辨率为骨料单元的边长x。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的待模拟孔隙尺寸的模拟范围为从单元尺寸分辨率x到最大孔隙的直径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4所述的考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，其建立方法为，按照待模拟孔隙尺寸的模拟范围，在砂浆基质单元和界面过渡区单元中，删除部分单元作为孔隙。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4所述的多自由度格构模型，是将考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型的每一个小立方体单元，提取其体心和单元顶点坐标，按照小立方体单元12条棱形成12根杆单元，8个节点与体心连接形成8个杆单元，体心与相邻最近的所有小立方体单元体心分别相连形成杆单元，形成多自由度格构模型。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5所述的混凝土长龄期水化-力学耦合公式为：
Figure FDA0002989202060000021
Figure FDA0002989202060000022
式中，β1、β2、β3、
Figure FDA0002989202060000023
为水化热试验拟合参数，可以从水化热速率曲线中获得，e为自然常数，ξ为混凝土在龄期t水化度，ξ∞为混凝土最终水化度,Ea为反应活化能，R为理想气体常数，T为混凝土的热力学温度，E为混凝土弹性模量，E∞为混凝土最终弹性模量，可以从力学参数的曲线中外延得到,a和b为力学试验拟合参数，可以从力学试验的曲线中获得，Age为混凝土龄期。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6所述的耦合格构模型，是在计算过程中，根据混凝土的养护龄期，带入混凝土长龄期水化-力学耦合公式，获得长龄期混凝土的弹性模量参数后，作为材料参数输入到多自由度格构模型中，形成耦合格构模型，在计算过程中，通过对杆单元受力状态的判断来模拟混凝土的断裂与损伤过程。
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