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混凝土细观力学研究进展综述共3篇混凝土细观力学研究进展综述1混凝土作为一种重要的基础建材，其力学性能的研究一直是混凝土材料科学领域的重要研究内容。
近年来，随着人们对工程结构安全性的要求越来越高，混凝土细观力学研究在材料科学领域变得越来越重要。
混凝土细观力学研究的基本思路是将混凝土看成是由一系列的微观单元构成的，通过对这些微观单元的力学响应进行分析、研究和计算，以揭示混凝土的力学性能。
混凝土的微观单元主要包括水泥石、骨料、孔隙等，因为这些单元的形态、大小和分布等因素会影响混凝土的宏观力学性能。
混凝土细观力学研究的核心问题之一是混凝土的力学损伤与破坏。
在混凝土中，由于微观单元之间的相互作用和外部加载作用等因素，混凝土可能发生微裂纹、裂缝扩展、局部破坏等过程，这些过程将直接影响混凝土的宏观力学性能。
因此，深入研究混凝土力学损伤与破坏机理，对于深入理解混凝土的力学性能、提高混凝土的力学性能具有重要意义。
近年来，混凝土细观力学研究在许多方面取得了重要进展。
首先是在混凝土力学损伤与破坏机理的研究上，在微观单元尺度上，人们通过数值模拟、实验研究等手段，发现混凝土的破坏过程是由微裂纹、裂缝扩展到宏观破坏的连续过程，其中裂缝扩展是破坏过程中最主要的损伤形式。
其次，在混凝土本构关系的研究上，人们根据微观单元的力学响应，通过多尺度分析方法建立了混凝土的本构关系，这对于混凝土宏观力学性能的计算和分析具有重要意义。
此外，混凝土的疲劳损伤与寿命研究、混凝土在高温下的性能等也是混凝土细观力学研究领域中重要的研究方向。
总的来说，混凝土细观力学研究在深入理解混凝土力学性能、提高混凝土工程结构安全等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
未来，混凝土细观力学研究领域需要继续深化相关理论和数值模拟技术，探究混凝土的力学性能与微观单元结构的关系，为混凝土工程结构的优化设计和施工提供更加精准的理论基础。
混凝土细观力学研究进展综述2随着现代科技和工程实践的发展，混凝土作为一种最基础的建筑材料，已经被广泛应用于建筑结构和基础工程中。
基于细观力学理论的混凝土力学性能研究【中文摘要】对混凝土力学性能的研究主要还是建立在宏观的力学实验基础之上,通过对混凝土宏观力学性能指标的观测对比,定性地分析混凝土微结构的形成对混凝土宏观力学性能的影响。
缺乏理论的推导和分析,难以建立两者之间的量化关系。
而数值分析研究则是具体题目具体分析,也无法建立混凝土微结构参数与其力学性能之间的量化关系。
细观均匀场理论在猜测刚度性质方面能得到理想的结果,并能给出各相均匀应力与微结构参数的解析关系式,然而在强度分析方面精度不够。
而目前的各种强度理论固然能够给出混凝土在复杂应力状态下的强度破坏准则,但强度理论的给出要么是通过试验数据的拟合得出要么是通过理论假设结合少量试验点推导得出,无法反映细观结构参数对混凝土强度的影响。
本文采用细观力学均匀场理论与弹性理论相结合来研究平面题目下混凝土的微结构与其力学性能之间的量化关系。
首先在考虑界面过渡区的情况下建立混凝土三相细观力学模型;运用弹性理论计算在外载荷作用下混凝土单元块的各相应力应变;运用均匀场理论计算宏观载荷作用下水泥浆体的均匀应力;最后以水泥浆体的均匀应力作为混凝土单元块外场力,结合弹性理论基本解同时在考虑混凝土内约束的作用下给出了以混凝土中骨料的体积分数及两者弹性模量比为变量参数的混凝土早期裂缝判定准则。
通过算例的理论解与数值解的对比分析表明该准则具有一定的工程实用价值。
');【Abstract】 The experiment investigation of the concrete mechanical properties qualitative analyzes the relationship between the micro-structure and the macro-mechanical properties, through the contrastof the targets of the macro-mechanical properties. Because of thelack of, it is difficult to establish quantitative relations between them. And numerical analysis can only analyze specific matters, also can not set up the quantitative relations between the mechanical properties and the parameters of the micro-structure. By using averaging theories, though stiffness of concrete can be got perfectly, and the formula which reflect the relations between the uniformstress and the micro-structural can be got ,but the strength of concrete can not be got perfectly . Although the strength theoriescan give the criteria of intensity damage in the complex stress, but which also can not set up the quantitative relations between the parameters of micro-structure and the strength of concrete.In this***, the quantitative relations between the parameters of micro-structure and the mechanical properties of concrete are studied by using averaging theory and elastic theory .First of all, concrete three-phase micro-mechanics model is built .Then, the stress-filedand strain-filed of each phase are calculated .The average stress of cement phase is calculated by using dilute distribution method. And finally, the judge criterion about early crack appearing can be built with the dilute distribution result as the concrete unit\' s outsideforce. The comparative analysis of the theoretical solution and the numerical solution of an example shows that the judge criterion has value of using in the project.。
混凝土细观力学研究进展及评述马怀发陈厚群黎保琨展，在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映出试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。
近十几年来，基于混凝土的细观结构，人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型，最具典型的有格构模型（Ｌａｔｔｉｃｅｍｏｄｅｌ）、随机粒子模型（Ｒ跚ｄｏｍｐａｒｔｉｃｌｅ啪ｄｅｌ）‘掣ＭｏｈａｍｅｄＡＲ【引等提出的细观模型、随机骨料模型（Ｒａｎｄｏｍａｇｇｌｌｅｇａｔｅｍｏｄｅｌ）及唐春安等人心８’２引提出的随机力学特性模型等。
这些模型都假定混凝土是砂浆基质、骨料和两者之间的粘结带组成的三相复合材料，用细观层次上的简单本构关系来模拟复杂的宏观断裂过程。
另外，文献［３０～３２］根据混凝土材料特性与分形维数的相关关系，运用分形方法定量描述了混凝土的损伤演化行为。
４．１格构模型格构模型将连续介质在细观尺度上被离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构系统，如图２。
每个单元代表材料的一小部分（如岩石、混凝土的固体基质）。
网格一般为规则三角形或四边形，也可是随机形态的不规则网格。
单元采用简单的本构关系（如弹脆性本构关系）和破坏准则，并考虑骨料分（ａ）格构杼件网络（ｂ）格构杆件属性布及各相力学特性分布的随机性。
计算时，图２格构模型在外载作用下对整体网格进行线弹性分析，计算出格构中各单元的局部应力，超过破坏阈值的单元将从系统中除去，单元的破坏为不可逆过程。
单元破坏后，荷载将重新分配，再次计算以得出下个破坏单元。
不断重复该计算过程，直至整个系统完全破坏，各单元的渐进破坏即可用于模拟材料的宏观破坏过程。
格构模型思想产生于５０多年前，当时由于缺乏足够的数值计算能力，仅仅停留在理论上。
２０世纪８０年代后期，该模型被用于非均质材料的破坏过程模拟ｎ８瑚’２１’３３。
６］’。
后来，ｓｃｈｌａｎｇｅｎＥ等人汹’２１’”“３将格构模型应用于混凝土断裂破坏研究，模拟了混凝土及其它非均质材料所表现的典型破坏机理和开裂面的贯通过程。
《细观混凝土分析模型与方法研究》篇一一、引言混凝土作为现代建筑与工程领域最常用的材料之一，其性能和结构特性的研究具有至关重要的意义。
随着科技的进步和研究的深入，细观混凝土分析模型与方法的研究逐渐成为混凝土材料研究的重要方向。
本文旨在探讨细观混凝土分析模型与方法的原理、应用及发展趋势，为混凝土材料的研究与应用提供理论支持。
二、细观混凝土分析模型1. 细观结构模型细观结构模型是研究混凝土内部结构的重要手段，主要包括微观结构模型和细观力学模型。
微观结构模型通过观察混凝土内部微观结构，如骨料形状、孔隙分布等，来描述混凝土的细观特性。
细观力学模型则通过分析混凝土内部各组分（如骨料、砂浆、孔隙等）的力学性能和相互作用，来揭示混凝土的宏观力学行为。
2. 数值模拟模型数值模拟模型是利用计算机技术对混凝土进行数值模拟分析的方法。
常见的数值模拟模型包括有限元模型、离散元模型和格构模型等。
这些模型可以模拟混凝土在受力过程中的应力、应变、裂纹扩展等行为，为混凝土的细观性能研究和结构设计提供有力支持。
三、细观混凝土分析方法1. 实验方法实验方法是研究细观混凝土性能的主要手段，包括试件制备、材料性能测试、微观结构观察等。
通过实验，可以获得混凝土的各种性能参数，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量等。
此外，利用显微镜、扫描电镜等设备，可以观察混凝土内部的微观结构，为细观结构模型提供依据。
2. 数值分析方法数值分析方法是利用计算机技术对混凝土进行数值分析和模拟的方法。
常见的数值分析方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。
这些方法可以模拟混凝土在各种工况下的力学行为，为混凝土的结构设计和性能评估提供依据。
四、细观混凝土分析模型与方法的应用细观混凝土分析模型与方法在建筑、桥梁、道路、隧道等工程领域具有广泛的应用。
通过细观混凝土分析，可以了解混凝土的内部结构和性能，为混凝土的结构设计、施工质量控制和性能评估提供依据。
此外，细观混凝土分析还可以为新型混凝土的研发和应用提供指导，推动混凝土材料的不断创新和发展。
第23卷第5期2007年10月结 构 工 程 师Str uctural Eng i n ee rsV o.l 23,N o .5O c.t 2007基金项目:同济大学建筑工程系文远科技基金资助。
收稿日期:2007-05-16基于离散单元法的混凝土细观力学模型研究进展王卓琳 林 峰 顾祥林(同济大学建筑工程系,上海200092)摘 要 介绍了离散单元法用于混凝土细观结构数值模拟的优越性及其基本原理;总结了目前基于离散单元法的刚体-弹簧元模型、扩展的离散单元法、颗粒-界面元模型、梁-颗粒模型等常用模型的原理、研究现状、成果,以及各自的优缺点;对数值模型建立中应考虑的关键问题,如破坏准则、本构关系以及材料参数的确定方法等作了归纳分析。
指出目前离散单元法用于混凝土数值模拟的研究主要以二维模型、简单受力状态、定性分析为主,而在复杂受力状态、定量分析、随机性分析以及相应实用软件的开发等方面仍有待进一步研究。
关键词 离散单元法,混凝土,细观力学,数值模拟State of t he Art ofM eso -M echan i calM odels ofConcreteBased on D iscrete E le m entM et hodWANG Zhuo lin LI N Feng GU X iang lin(D epart ment o f Buil ding Eng i neering ,T ong ji U niversit y ,Shangha i 200092,Chi na )Abst ract The advantages and pri n ciples of m eso -m echan ica l mode ls o f concrete based on t h e discrete ele m entm ethod are i n troduced .V arious m ode ls w ide ly used a t presen t ,such as Rig i d Body -Spring M ode l ,Ex tended D isti n ct E l e m ent M e t h od ,Partic l e -Interface E le m en t M ode l ,and Bea m -Partic le M ode l ,are analyzed .The study sta te ,as we ll as advantage s and disadvantages of each m ethod ,are summ arized .So m e pr oble m s needed to be no t e d when t h e m ode l is built ,such as fa il u re crit e ria ,constit u ti v e r e lationship ,and m a terial para m eters ,are also analyzed .Fina lly ,it is fi g ured out t h at curr ent st u d ies on num erical si m ulation of concr e te based on the discrete e le m ent m ethod m ain l y focus on planar m ode l ,si m ple load sta te ,and qua lita tive analysis ,m o r e efforts on co m plex load state ,quan tita tive analysis ,stochastic analysis anddeve l o pm ent of co rresponding so ft w are ar e needed in the future .K eywords discrete e le m entm e t h od ,concrete ,m eso -m echanics ,num e rical si m u lation1 引 言混凝土是一种多相非均质复合材料。
基于离散元的沥青混合料细观力学研究进展张 宏摘 要 :介绍了离散元在沥青混合料细观力学研究方面的最新进展 ,具体阐述了沥青混合料离散元建模方法 ,并根据目 前研究的不足之处 ,预测了基于离散元的混合料细观力学的发展方向 ,以期促进基于离散元的混合料细观力学研究 。
关键词 :道路工程 ,沥青混合料 ,离散元 ,细观力学 中图分类号 : TU535文献标识码 :A当空隙率为 0 %时 , 2D 和 3D 离散元模拟结果相同 ; 当空隙率为10 %时 ,3D 的模拟结果比 2D 偏高 26 % ,但其预测值较 2D 准确 。
3 国内研究现状 王端宜17 (2003 年) 对三种典型的常用级配 SMA 213 ,AC 213 I和 SU P 212 . 5 组成的混合料 (不含沥青) 利用离散元分析了集料颗粒传递荷载的路径 ,发现荷载传递的路径总是寻找大颗粒或大颗粒集中的区域 ,SMA 形成的混合料由于集料众多 , 分布均匀 , 荷载传递路径也更均匀 ;刘玉18(2005 年) 利用 P FC2D 对混合料的单轴压缩试验进行了数值模拟 ;陆阳19(2006 年) 针对 SMA 特有 的骨架结构特点 ,采用蒙特卡罗法随机生成集料球形颗粒 ,并按 相容条件进行混合料骨架集成 ,以此对混合料的级配敏感性进行了讨论 ;田莉20 (2007 年) 提出了基于随机理论的沥青混合料集料的三维颗粒生成算法 ,提供了一种便利的 3D 离散元建模方法 ; 肖昭然21 等 (2007 年) 采用 3 种接触模型描述了沥青混合料内部的相互作用 ,并进行了单轴压缩虚拟试验 ,分析沥青混合料的变形和应力情况 ;胡霞光 3等 (2007 年) 利用离散元模拟了沥青混合 料的蠕变和松弛 。
4 沥青混合料离散元建模方法 4 . 1 集料颗粒模拟方法 早期的离散 元 程 序 , 大 多 利 用 刚 性 圆 盘 或 刚 性 小 球 来 模 拟2D 或 3D 集料颗粒 ,利用蒙特卡罗法 、单一粒径或随机粒径来模拟颗粒级配 ;采用这种方法建立的离散元模型颗粒数目较少 ,程1 概述离散元法是由 Cun dal . P. A 1 (1971 年) 首先提出并应用于岩 土体稳定性分析的一种数值分析方法 。
第23卷第5期2007年10月结 构 工 程 师Structural EngineersVol .23,No .5Oct .2007基金项目:同济大学建筑工程系文远科技基金资助。
收稿日期:2007-05-16基于离散单元法的混凝土细观力学模型研究进展王卓琳 林 峰 顾祥林(同济大学建筑工程系,上海200092)摘 要 介绍了离散单元法用于混凝土细观结构数值模拟的优越性及其基本原理;总结了目前基于离散单元法的刚体-弹簧元模型、扩展的离散单元法、颗粒-界面元模型、梁-颗粒模型等常用模型的原理、研究现状、成果,以及各自的优缺点;对数值模型建立中应考虑的关键问题,如破坏准则、本构关系以及材料参数的确定方法等作了归纳分析。
指出目前离散单元法用于混凝土数值模拟的研究主要以二维模型、简单受力状态、定性分析为主,而在复杂受力状态、定量分析、随机性分析以及相应实用软件的开发等方面仍有待进一步研究。
关键词 离散单元法,混凝土,细观力学,数值模拟St ate of the Art of M eso 2M echan i calM odels of ConcreteBased on D iscrete Ele mentM ethodWANG Zhuolin L I N Feng G U Xianglin(Depart m ent of Building Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China )Abstract The advantages and p rinci p les of mes o 2mechanical models of concrete based on the discrete ele ment method are intr oduced .Vari ous models widely used at p resent,such as R igid Body 2Sp ring Model,Extended D istinct Ele ment Method,Particle 2I nterface Ele ment Model,and Bea m 2Particle Model,are analyzed .The study state,as well as advantages and disadvantages of each method,are summarized .Some p r oble m s needed t o be noted when the model is built,such as failure criteria,constitutive relati onshi p,and material para meters,are als o analyzed .Finally,it is figured out that current studies on numerical si m ulati on of concrete based on the discrete ele ment method mainly focus on p lanar model,si m p le l oad state,and qualitative analysis,more eff orts on comp lex l oad state,quantitative analysis,st ochastic analysis and devel opment of corres ponding s oft w are are needed in the future .Keywords discrete ele ment method,concrete,mes o 2mechanics,nu merical si m ulati on1 引 言混凝土是一种多相非均质复合材料。
根据特征尺寸不同,通常可将混凝土结构分为微观结构(10-7～10-4m )、细观结构(10-4～10-2m )和宏观结构(>10-2m )3个层次或尺度。
以工程应用为主要目的的混凝土力学性能研究,往往忽略混凝土内部的复杂结构,而将其看作宏观均质材料,并把室内试验得到的各项物理力学指标以及基于此发展的本构关系用于混凝土结构分析。
随着研究的深入,人们认识到,混凝土在微、细观层次上的受力状态与宏观尺度下所反映出的力学性能有很大不同,混凝土材料的宏观破坏过程与其细观(或微观)的非均匀性是密切相关的。
因此,在细观尺度范围内进行混凝土破坏过程的研究有助于进一步认识混凝土的宏观破坏机制及其强度和变形特性。
试验虽然是研究混凝土破坏过程最基本的方法,但是由于其结果受多方面因素影响,有时不能反映试件的材料特性。
数值模拟方法可以在保证力学模型准确性和适用性的条件下,避开试验条件限制以及人为因素等影响,减少试验结果的离散性。
因此,数值模拟已成为与理论分析、试验研究同样重要的研究手段。
2 混凝土细观力学模型分类混凝土细观结构的数值模拟就是将混凝土看作多相非均质复合材料,选择适当的混凝土细观力学模型,在细观层次上划分单元,考虑各相材料力学特性的不同,以合适的破坏准则或损伤模型反映单元破坏和材料性能退化,利用数值方法模拟混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态。
目前已经提出了许多研究混凝土破坏过程的细观力学模型和方法,根据对材料的假设可以将其分为两类[1]:第一类假定材料是连续的,基于连续介质力学方法进行求解,以有限单元法最为典型,如较常见的微平面模型(m icr op lane mod2 el)、格构模型(lattice model)、随机粒子模型(ran2 dom particle model)等等。
另一类主要是基于非连续介质力学,采用离散单元技术进行求解,如离散单元法、刚体弹簧元法、不连续变形分析等等。
混凝土的破坏过程是一个由连续体向不连续体过渡的过程,采用一般的有限元方法对其进行细观力学数值模拟时,存在一些不足和困难之处:它要求满足位移协调,难以处理位移出现间断(如混凝土产生裂缝)的问题;为了更好地定义细观结构的几何形状,需要划分很细的网格,容易造成分析形成的裂缝不稳定;此外,还难以模拟出混凝土破坏的局部化特征。
离散单元法则由于自身方法的优越性在这一方面显示出巨大的生命力。
3 基于离散单元法的混凝土细观力学模型3.1 基本原理离散单元法最早由Cundall等[2]提出,是一种解决岩石节理系统或块体集合等不连续体系大变形运动的数值方法。
其基本思想是把不连续体分离为刚性单元的集合,使各个刚性单元满足运动方程,用时步迭代的方法求解各刚性单元的运动方程,继而求得不连续体的整体运动形态。
该方法自提出以来,在处理非连续介质问题中发挥了极大作用,近年来又扩展到求解连续介质,以及连续介质向非连续介质转化的力学问题。
离散单元连接形式在力学机理上可分为接触型和连结型两类[3]。
接触型是散粒体特有的连接形式,主要用于传统离散单元法中处理非连续介质的问题;连结型则认为单元间没有间隙且符合变形协调条件,主要用来处理连续介质力学问题,材料的变形完全由变形元件来存储和表示。
混凝土等脆性材料的损伤和破坏,实质是力学模型从连续体向非连续体的转变过程。
采用离散单元法,只需实行连接形式从连结型到接触型的转换,不需改换单元就可以实现模型转变,比起构造特殊单元或混合各种算法来实现连续体到非连续体转换的方法要简单有效。
基于这样的思想,目前已经发展了多种用于模拟混凝土破坏的离散元模型。
图1 刚体-弹簧元法基本单元及变形后相对位置[4]3.2 刚体-弹簧元模型川井忠彦[4]于20世纪70年代最先提出了连结型块体离散元模型,名为刚体-弹簧单元模型(R igid Body Sp ring Model,RBS M)。
该模型认为结构受荷载作用时,弹性范围内的变形分布在其整体上,进入塑性变形阶段后,应变能集中在塑性变形的狭小区域。
根据这一特点,将结构划分成若干刚性单元,单元通过均布在接触面上的零长度弹簧连接,刚性单元本身不发生弹性变形,变形能仅储存在位于接触面的连接弹簧中,单元任一点的位移可由单元形心的刚体位移和转角来描述,如图1所示(图中:kd,k s,k r分别表示单元间3种连接弹簧的刚度;φ,δH,δV分别表示两单元在・8・Structural Engineers Vol.23,No.5State of the A rt AC边上的相对位移)。
通过建立对应的刚度矩阵,采用有限元求解。
RBS M模型虽然采用有限元解法,但其刚体单元的假设更类似于传统意义上的离散单元法,所不同的是在单元间引入了连接弹簧,并采用了合适的本构模型对其进行描述。
基于此模型,Bolander等[5]采用Vor onoi多边形分割理论对材料区域进行划分,单元可以划分为任意凸多边形。
Kohei Nagai,Ta mon Ueda等[6]分别建立了砂浆、骨料以及二者界面层的本构关系和破坏准则;对数值试件进行了单轴拉伸和压缩试验,得到了宏观的应力-应变曲线,以及单轴抗拉强度和抗压强度的关系曲线;研究了骨料位置、网格划分、材料性能的不均匀性引起的材料宏观强度的变化。
Ta mon Ueda[7]在模型中引入零强度单元,用于模拟由于冻融循环引起的混凝土力学性能的退化,初步显示了通过数值模拟就能预测构件或结构性能的可行性。
王宝庭等[8]探讨了混凝土的细观结构和宏观性能之间的关系,对混凝土在拉伸荷载下的裂纹传播行为进行了研究。
刘玉擎[9]对混凝土拉伸断裂以及压缩断裂进行了模拟,其结果能够较好地反映裂缝发展过程与材料宏观破坏特性。
RBS M方法求解时,可以将单元形心的位移、界面上的弹簧分别看成有限元法的节点位移和单元,从而可以按照有限单元法的原理形成总体刚度矩阵以及力平衡方程,其刚度矩阵是显式的。
该模型主要的缺点,一是在求解过程中需要形成刚度矩阵,增加了运算量;二是数值模拟的结果在很大程度上依赖于单元的形状、尺寸和排列[10]。
3.3 颗粒-界面元模型Zubele wicz[11]提出一种用于分析混凝土破坏的二维颗粒-界面元模型(Particle2I nterface Ele2 mentModel,P I E M)。
模型将不同的完全刚性的粒子通过可变形的界面层分隔,界面层的力学性质通过给定法向和切向分量的力-位移关系来描述。
刚性粒子随机生成,不能相互重叠,且一般没有接触;当粒子周围的界面层重叠时,单元之间就会产生相互作用,如图2所示(图中:Ri,R j分别表示单元i,j的直径;ui,v i,w i;u j,v j,w j分别表示单元i,j的水平、竖向以及转角位移;Fs,F n分别表示两单元界面上的法向和切向相互作用力)。
