鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析學(xué)號(hào):1311083034姓名:宮能軍鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值仿真技術(shù)研究摘要混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的建筑材料，可以按預(yù)定性能設(shè)計(jì)和制作，研制輕質(zhì)，高強(qiáng)度，多功能的建筑材料，一般意義上的混凝土是指用水泥作膠凝劑，用砂或石作為集料，用水（加或不加外加劑和摻合劑）按一定的比例配合，經(jīng)過攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而得的水泥混凝土。混凝土可以看做一種人工石材，由于其原料豐富，造價(jià)低廉，工藝簡單的特性，使其在工程中有廣泛的應(yīng)用。由此可知：混凝土是一種復(fù)雜的多相復(fù)合材料，它的力學(xué)性能依賴于不同組成部分各自的力學(xué)性能，同時(shí)，混凝土內(nèi)部構(gòu)造又顯著地影響著裂紋的萌生和發(fā)展，所以，用細(xì)觀層次上的研究方法，將混凝土材料看成是一種非均質(zhì)的混合材料成為了研究混凝土各方面性能的有力手段。隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，許多工程問題的模擬可以通過某些軟件來模擬、分析、優(yōu)化等，進(jìn)行解決。而ANSYS是目前國際上主流的有限元分析軟件，他有眾多的單元可供選擇，可以獲得不同階段的受力性能，以及很完備的前處理和后處理。并且ANSYS可以對(duì)鋼筋混凝土的各種結(jié)構(gòu)在各種外載荷條件下的受力，變形，穩(wěn)定及各種動(dòng)力特性作出全面的分析，因此，ANSYS對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的模擬有很大的意義。關(guān)鍵字:混凝土、細(xì)觀數(shù)值分析、ANSYSABSTRACT鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共1頁，當(dāng)前為第1頁。Concreteisthemostwidelyusedincivilengineeringpurposes,thelargestamountofconstructionmaterials,pre-performancedesignandproduction,thedevelopmentoflightweight,highstrength,multi-functionalbuildingmaterials,andgeneralsenseoftheconcreteiscement,agellingagent,withsandorstoneaggregate,water(withorwithoutadmixturesandadmixtures)withacertainproportionaftermixing,molding,curingderivedcementconcrete.Theconcretecanbeseenasakindofartificialstone,duetoitsabundantrawmaterials,lowcost,simpleprocess,characteristics,sothatawiderangeofapplicationsinengineering.Canbeseen:concreteisacomplexmulti-phasecomposite,itsmechanicalpropertiesdependonthedifferentcomponentsofthemechanicalpropertiesofthesametime,theinternalstructureofconcretesignificantlyaffectsthecrackinitiationanddevelopment,so,usingmicrothelevelofresearchmethods,theconcretematerialasanon-homogeneousmixtureofmaterialshasbecomeapowerfulmeanstostudyvariousaspectsofperformanceoftheconcrete.

Withthedevelopmentofcomputerscience,simulationofmanyengineeringproblemscanbesomesoftwaretosimulate,analyze,optimize,etc.,toresolvetheissue.ANSYSiscurrentlyontheinternationalmainstreamofthefiniteelementanalysissoftware,hehasalargenumberofunitstochoosefrom,differentstagesofperformance,andcompletepre-treatmentandpost-processing.AndANSYScanbeofreinforcedconcretestructureundervariousexternalloadconditions,deformation,stability,andavarietyofdynamiccharacteristicstomakeacomprehensiveanalysis,therefore,theANSYSsimulationofthemechanicalbehaviorofreinforcedconcretestructureshavegreatsignificance.鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共1頁，當(dāng)前為第1頁。Keywords:Concrete,Microscopicanalysis,ANSYS鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共2頁，當(dāng)前為第2頁。鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共2頁，當(dāng)前為第2頁。研究背景：混凝土是目前世界上用量最大、最為廣泛的建筑材料。混凝土結(jié)構(gòu)具有耐火性好、耐久性好、可塑性好、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著現(xiàn)代土木工程的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑、道路、橋梁、水利工程等各方向。混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用雖然只有很短的一百多年的歷史，但她具有比磚石、鋼木結(jié)構(gòu)更為優(yōu)異的諸多特點(diǎn)，因此發(fā)展的前景很好。目前我國每年混凝土的使用量大概在10億m3，用量之大、耗資之多，居世界首位，所以對(duì)于混凝土的各種性能的研究也便具有了很重要的實(shí)際意義。混凝土是由骨料和砂漿基質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料，其破壞過程要比理想的脆性材料復(fù)雜的多，在加載之前，混凝土材料內(nèi)部已經(jīng)存在微孔血、微裂紋等，加載之后，微裂紋不斷萌生、擴(kuò)展和貫通，最終導(dǎo)致混凝土材料的失效。此外，裂紋擴(kuò)展路徑曲折，裂紋面也很粗糙，混凝土構(gòu)件的斷裂可能是砂漿基質(zhì)的斷裂或骨料的斷裂，也可能是砂漿與骨料之間粘結(jié)面的斷裂，還有就是這些斷裂的組合。與此同時(shí)，混凝土的力學(xué)行為還與試件的尺寸、骨料的大小等因素有關(guān)，混凝土尺寸效應(yīng)現(xiàn)象的研究內(nèi)容主要是對(duì)混凝土強(qiáng)度及相關(guān)的力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)以及各種力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，這些研究有助于解釋混凝土組成成分與結(jié)構(gòu)性能之間的內(nèi)在關(guān)系，從而推動(dòng)了固體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，同時(shí)正確指導(dǎo)了工程實(shí)踐。研究混凝土的層次觀點(diǎn)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表明，試件的尺寸對(duì)混凝土材料的名義強(qiáng)度和韌度等都有明顯的影響，因而試驗(yàn)確定的強(qiáng)度不再是材料完全重復(fù)的性質(zhì)，而是依賴結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)。尺寸效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能不再是一個(gè)常數(shù)，而是隨著材料的幾何尺寸的變化而變化。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度只能通過結(jié)構(gòu)自身的測試來確定。一方面，在土木、水利等學(xué)科中，由于研究的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)比較的大（橋梁、大壩、掩體等），難以進(jìn)行真實(shí)結(jié)構(gòu)的模擬，僅能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小尺寸試件的模擬。另一方面，隨著混凝土強(qiáng)度向高強(qiáng)度發(fā)展，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，強(qiáng)度測試的實(shí)驗(yàn)室尺寸會(huì)越來越小，并且由小試件得到的試件斷裂破壞結(jié)構(gòu)對(duì)大結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意義及實(shí)用性如何，是重大的研究對(duì)象。現(xiàn)代科學(xué)的一個(gè)重要的思維方式與研究方法就是層次方法，在對(duì)客觀世界的研究中，當(dāng)在某一層次問題無法解決時(shí)，若深入到下一個(gè)層次，問題或許就可能迎刃而解，同時(shí)也只有進(jìn)入下一層次，才能揭示更深層次的機(jī)理，混凝土斷裂問題的研究也同樣如此，同時(shí)對(duì)于上面所提到的問題，在這里，或許就可以得到比較滿意的解決。鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共3頁，當(dāng)前為第3頁。混凝土是一種可以在多尺度下研究的復(fù)合材料，Zaitsev和Wwttman提出了結(jié)構(gòu)層次的觀點(diǎn)，即把混凝土材料的研究分為三個(gè)尺度，即宏觀、細(xì)觀和微觀，而文獻(xiàn)（1）將混凝土材料的研究分為四個(gè)層次：鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共3頁，當(dāng)前為第3頁。宏觀層次（Macro—Level）或稱為工程結(jié)構(gòu)層次，混凝土這種非均質(zhì)材料存在著特征體積，經(jīng)驗(yàn)的特征體積相當(dāng)于3~4倍的最大骨料體積，當(dāng)大于這種特征體積時(shí)，材料假定為均質(zhì)的，當(dāng)小于這種特征體積時(shí)，材料的非均質(zhì)性將會(huì)十分明顯，有限元計(jì)算結(jié)果反映了一定體積內(nèi)的平均效應(yīng)，這個(gè)特征體積的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變稱之為宏觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)變，由于各種結(jié)構(gòu)缺陷的存在，宏觀的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系一般是非線性的，宏觀層次斷裂按均質(zhì)體斷裂力學(xué)進(jìn)行分析。細(xì)觀層次（Meso—Level）或稱組構(gòu)層次，混凝土被稱為是一種有骨料、砂漿和他們之間的過渡區(qū)（粘結(jié)帶）組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，細(xì)觀內(nèi)部裂隙的發(fā)展直接影響混凝土的宏觀力學(xué)性能，該層次的模型一般是毫米或厘米量級(jí)。微觀層次（Micro—Level）在這個(gè)層次中，認(rèn)為砂漿的非均質(zhì)性是由漿體中的空隙所產(chǎn)生的，空隙的尺寸大致為毫米量級(jí)，由于砂漿中的孔隙很小且很多，隨機(jī)分布，水泥砂漿力學(xué)性能可近似看作細(xì)觀均質(zhì)損傷體，同配合比、同條件的砂漿試件有關(guān)，通常其力學(xué)性能也比較穩(wěn)定。納觀層次（Naso—Level），混凝土的納觀層次認(rèn)為水泥漿本身也是一種隨機(jī)的復(fù)合材料，其組成部分為未水化的熟料顆粒、水化硅酸鈣、氫氧化鈣晶體、毛細(xì)孔和其他的化學(xué)成分，該層次毛細(xì)孔的尺寸是微米或亞微米量級(jí)。如圖：層次納觀層次微觀層次細(xì)觀層次宏觀層次結(jié)構(gòu)層次簡稱Naso—LevelMicro—LevelMeso—LevelMacro—LevelSystem—Level量級(jí)~學(xué)科納米力學(xué)微觀力學(xué)微觀力學(xué)材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)細(xì)觀損傷力學(xué)彈塑性力學(xué)損傷斷裂力學(xué)鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共4頁，當(dāng)前為第4頁。用宏觀斷裂模型分析混凝土是結(jié)構(gòu)工程師的觀點(diǎn)，在宏觀層次上的研究僅能在一定精度下解決工程問題，按材料學(xué)的觀點(diǎn)，該層次的研究方法過于粗糙，無法揭示混凝土結(jié)構(gòu)、組成與性能之間的關(guān)系，只有進(jìn)入到細(xì)微觀層次才能解決，高強(qiáng)度混凝土的出現(xiàn)就是微細(xì)觀層次研究的一個(gè)重大成果，他是通過摻入外加劑，改變混凝土的細(xì)微觀—粗骨料與水泥砂漿界面的性質(zhì)而誕生的，微觀斷裂模型雖然考慮了水泥砂漿基體中的孔隙隨機(jī)分布，然而由于實(shí)際上很難得到不包含任何孔隙的“凈”水泥砂漿的材料特性，況且對(duì)于確定配合比的水泥砂漿試件（盡管包含著孔隙），其材料特性也比較穩(wěn)定，可有少量試件的試驗(yàn)直接測出，因此可不考慮微觀層次的結(jié)構(gòu)狀況，水泥的納觀模型，主要著眼于水泥水化物，是水泥化學(xué)家和材料學(xué)家的研究方向，習(xí)慣結(jié)構(gòu)層次把混凝土看作是由粗骨料、水泥砂漿基體和二者間的界面所組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，研究混凝土內(nèi)部裂紋的形成、擴(kuò)展，預(yù)測材料的破壞抗力等力學(xué)指標(biāo)，建立混凝土的細(xì)觀與宏觀性能之間的關(guān)系，下圖為細(xì)觀層次混凝土的三相結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)目前計(jì)算機(jī)分析能力及當(dāng)前的技術(shù)水平，細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次似乎是評(píng)價(jià)混凝土復(fù)合性能更可行與更實(shí)用的方法，近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與測試設(shè)備的發(fā)展，在細(xì)觀層次上用計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測材料結(jié)構(gòu)的破壞過程已成為本學(xué)科目前的研究重點(diǎn)。鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共4頁，當(dāng)前為第4頁。混凝土細(xì)觀力學(xué)模型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在今天的計(jì)算機(jī)水平下，混凝土試件的數(shù)值模擬主要集中在細(xì)觀層次上，即研究混凝土組成結(jié)構(gòu)對(duì)于混凝土材料破壞過程的影響，以及習(xí)慣裂縫發(fā)展與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，混凝土的細(xì)觀力學(xué)研究不僅能正確反映出混凝土復(fù)合材料性能，又能與實(shí)際的宏觀力學(xué)性能相聯(lián)系，在對(duì)于混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，各國學(xué)者提出了許多研究混凝土材料的細(xì)觀力學(xué)模型和方法，目前，國內(nèi)外已有多種細(xì)觀模型被用來研究混凝土材料的力學(xué)性能，如：有限元基礎(chǔ)上提出的格構(gòu)模型（LatticeModel）、隨機(jī)顆粒模型（RandomParticle）、MH模型（MicromechanicalModel）、隨機(jī)骨料模型（RandomAggregateModel）等模型，這些方法的共同的特點(diǎn)就是：著眼于細(xì)觀尺度，考慮混凝土的多相性，將隨機(jī)分析等理論方法與計(jì)算力學(xué)相結(jié)合，研究混凝土的破壞過程及其宏觀力學(xué)的響應(yīng)特性。下面簡要介紹幾種常用的細(xì)觀力學(xué)模型格構(gòu)模型：格構(gòu)模型的思想產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，格構(gòu)模型將細(xì)觀力學(xué)的思想應(yīng)用到材料破壞的問題上，將連續(xù)介質(zhì)在細(xì)觀尺度上離散為有桿、梁單元連接而成的格構(gòu)系統(tǒng)，每個(gè)單元代表材料的一個(gè)小部分，網(wǎng)格的劃分一般為規(guī)則的三角形或四邊形，也可是隨機(jī)形態(tài)的不規(guī)則網(wǎng)格，如下圖。假定單元力學(xué)性質(zhì)服從某種既定的分布規(guī)律，并沿用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法描述單元的行為，引入簡單的單元本構(gòu)關(guān)系，在外載荷作用下對(duì)整體網(wǎng)格進(jìn)行線彈性分析，計(jì)算出格構(gòu)中個(gè)單元的局部應(yīng)力，超過破壞閥值的單元將從整體網(wǎng)格中除去，單元的破壞和路徑是一個(gè)不可逆的過程，某個(gè)單元破壞后，荷載將重新分配，再次計(jì)算出下個(gè)破壞單元，不斷重復(fù)計(jì)算過程，直至整個(gè)系統(tǒng)完全破壞，單元的漸進(jìn)破壞即可反映出材料的宏觀破壞過程。如圖：鋼筋混凝土的細(xì)觀數(shù)值分析全文共5頁，當(dāng)前為第5頁。隨機(jī)顆粒模型：隨機(jī)顆粒模型是由Bazant等人在20世紀(jì)90年代提出的，主要模擬顆粒固體材料，該模型的假定材料是由一些隨機(jī)分布的圓形顆粒組成，如圖，該模型考慮了粒子分布的隨機(jī)性，以模擬混凝土的骨料，但忽略了相鄰顆粒之間接觸層的剪切與彎曲作用力，認(rèn)為骨料顆粒是彈性的，可以因受力而變形，而不是剛性的。這些粒子隨機(jī)分布在基體中，基體也被認(rèn)為是彈性的，顆粒的周圍是與基體的接觸層，該層被假設(shè)具有應(yīng)變軟化特性。當(dāng)單元卸載時(shí)，仍然保持原有的剛度。該模型在細(xì)觀層次上應(yīng)用