混凝土静态力学性能的细观力学方法述评

混凝土静态力学性能的细观力学方法述评

刘玉杰

天津新宇建筑工程有限公司天津市301600

摘要：在桥梁、核电站、隧道工程中，需要利用大量的混凝土材料。混凝土材料在搅拌的过程中，往往受到自身成分、性质，以及配比因素的影响。在此基础上，导致混凝土材料具有复杂的力学特征。通常情况下，混凝土包括宏观、微观、细观三个层次。长期以来，人们主要采用连续介质的方法对混凝土的力学特征进行分析。但是，该方法并不能对混凝土裂纹形成的规律及其力学特征做出合理的解释。

关键词：混凝土；静态；力学性能；力学方法；

结合实际的工程经验，混凝土细观有限元法、理论分析法。针对混凝土过渡区中的难题，提出了混凝土静态力学性能今后的研究方向。

一、概述

由混凝土材料组成的工程结构,如高坝、桥梁、海洋平台、核电站、隧道、地基基础及边坡等是基础设施建设中重要的组成部分。混凝土材料是以水泥为主要胶结材料,拌合一定比例的砂、石和水,经过搅拌、振捣、养护等工序后,逐渐凝固硬化而成的复合材料。粗骨料和硬化水泥砂浆两种主要组成材料的成分、性质、配比以及粘结作用均对混凝土的力学特性有不同程度的影响,这使混凝土比其他单一材料具有更为复杂的力学性能。混凝土力学特性(宏观应力–应变关系)是进行大坝、海洋平台、边坡等混凝土结构抗震设计及静、动力仿真分析的重要基础之一,也是目前研究的薄弱环节。根据特征尺寸和研究方法侧重点的不同将混凝土材料内部结构分为3个层次,微观层次、细观层次及宏观层次.目前,对于混凝土材料的力学特性与本构模型方面的研究主要从宏观和细观两个层次进行.早期,人们基于连续介质理论分析混凝土及混凝土工程结构的力学行为的前提是,假设混凝土为各向同性材料,但这样的宏观模型不能揭示混凝土内部结构、组成与宏观力学性能之间的关系,不能合理解释其裂纹扩展规律,难以描述细观非均匀性引起的混凝土材料损伤及局部应力集中导致的局部破坏现象。混凝土力学实验是研究混凝土材料力学特性及混凝土结构力学行为和断裂过程的最基本的研究方法,实验结果为研究提供了宝贵资料。但是由于加载条件、试验机刚度、实验费用以及混凝土试件规格(大体积混凝土)等的限制,实验结果不能反映试件的材料性能,甚至实验难以进行。细观力学理论的发展和高速大容量电子计算机的出现,为用数值方法研究混凝土细观结构对混凝土材料破坏的影响,及细观裂缝发展与宏观力学性能之间的关系提供了新思路.在细观层次上,混凝土可以看作是由粗细骨料、砂浆基质及过渡区界面(ITZ)、微裂纹或孔隙等组成的多相复合材料。如何建立起复合材料的有效性能和组分性能,以及微观结构组织参数之间的关系,一直是复合材料细观力学研究的重点,也是复合材料细观力学研究的核心目标之一.细观力学方法大体分为两类：细观力学有限元法和理论分析法。有限元细观计算力学应用于复合材料力学行为数值模拟的本质是将有限元计算技术与细观力学及材料学相结合,根据复合材料具体细观结构,建立细观计算模型、界面条件和边界条件,求解受载下细观复合材料模型中具有夹杂的边值问题.从而建立起细观局部场量与宏观平均场量间的关系,最终获得复合材料的宏观力学响应。

二、细观力学有限元法

1.基本概况。该方法的原理是：首先，在分离网络结构的基础上，求出混凝土应变与宏观应力之间的关系。然后，根据以上关系，对细观立场展开深入的分析、研究。在此基础上，研究混凝土复合材料的伤损过程，以及塑性屈服的问题。在分析混凝土静态力学特征中，采用细观有限元法具有很大的优势。主要包括这几个方面。（1）能够直观的看见混凝土破损的整个过程。（2）便于研究人员找到骨料的形态、分布、配比，然后分析对混凝土力学特征的影响。（3）实施混凝土细观数值实验，得出的力学参数更加准确、可靠。（4）将部分实验取而代之，从而减少了由于人为因素导致的误差。由于以上优势，该方法已经被广泛的应用到混凝土静态力学性能分析中，并且发挥着重要的作用。

2.计算方法。细观力有限元法有多个模型，包括格构模型、MH细观力学模型、随机骨料模型等。这些模型在应用的过程中，主要是对混凝土复合材料的骨料颗粒、砂浆基质进行分析，研究混凝土材料的非线性。同时，利用细观有限元法试件后，可以与材料的网络结构进行离散，最终得出需要的代数方程组。

Κa=P（1）

在（1）式中，a代表结点位移阵列。k代表整体刚度矩阵，包括多个单元刚度矩阵（ke）。其计算公式为：

（2）

在（2）式中，d表示弹性矩阵，b表示应变矩阵。可以看出，细观有限元法的本质是：对非线性方程进行求解。然而，当非均匀因素影响在加载时，往往会对单元矩阵造成不同程度的破坏，导致非线性行为非常复杂。针对这种情况，应该根据不同的模型，采取针对性的办法与措施。

三、细观单元等效化模型

采用理论分析法，虽然在宏观力学性能分析中起着重要的作用，但是不能准确的计算出混凝土的残余强度参数，以及宏观应力与应变之间的关系。所以，该方法也存在很大的局限性。与此同时，应用细观力学有限元法，可以通过数值实验对混凝土损伤的过程进行分析、研究，并且得出宏观应力与应变之间的关系。然而，随着新材料的不断应用，在分析混凝土静态力学特征中，也面临着巨大的压力与挑战。特别是在分析模型计算效率时，存在很大的困难。近年来，部分专家在分析混凝土宏观力学特征时，引入了新的研究方法，即细观单元等效模型分析法。该方法的机制为：首先，采用MonteCarlo方法，对混凝土试件的骨料模型进行分析。在此基础上，得出混凝土有限元网格，并建立相应的骨料模型。最后，采用复合材料等效化方法，计算出各单元网格的力学特征。通过对单元格的性质、非线性模型进行分析，来把握整个试件的宏观非线性力学特征。结果显示，应用细观单元等效化模型后，减少了体系的自由度以及网格单元尺度，计算准确率更高，取得了显著的成效。与细观力学分析模型相比，具有更大的优势。

四、混凝土力学性能分析的发展趋势

1.由于细观力学模型在计算效率时受到很大限制。因此，有必要开展进一步研究，分析该方法能否真实反映混凝土损伤规律，包括断裂、裂纹等。在此基础上，对计算混凝土静态力学性质的准确性进行验证。

2.扩大对钢筋混凝土、钢筋力学性能的研究范围，提高混凝土结构抗震设计的合理性、科学性。

3.混凝土主要采用水下作业方式，容易受到水、空气、温度的影响。在这种情况下，与干燥混凝土的性能产生了很大差异。鉴于此，应该加大在这方面的研究。

4.当前，在混凝土力学性能分析上，主要以静态分析为主。然而，现代化混凝土结构还承受着低沉、爆炸等动态荷载。因此，为了提高抗震结构的可靠性，安全性，应该在研究混凝土静态力学特征的同时，加大对动态力学特征的分析与研究。

5.在实际的工程建设中，大部分混凝土表现为多轴受力状态，这种状态相当复杂。因此，在结构设计与力学仿真中，应该提高对该应力状态的重视度。除此之外，还应该在混凝土尺度效应方面加强研究的力度。

总之，混凝土是各种现代化建筑工程的重要材料，为了保证抗震结构设计的合理性，有必要对其静态力学性能进行分析、研究。

参考文献：

[1]张晓秦.浅谈混凝土静态力学性能的细观力学方法述评.2017.

[2]赵伟杰，探讨混凝土静态力学性能的细观力学方法述评.2017.

[3]杜佳瑶，混凝土静态力学性能的细观力学方法述评研究.2016.