鋼筋混凝土的細(xì)觀(guān)分析

鋼筋混凝土的細(xì)觀(guān)分析摘要混凝土是土木工程頂用途最廣、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）按必然的比例配合，通過(guò)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，由于其原料豐碩，造價(jià)低廉，工藝簡(jiǎn)單的特性，使其在工程中有普遍的應(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(lài)于不同組成部份各自的力學(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(guān)層次上的研究方式，將混凝土材料看成是一種非均質(zhì)的混合材料成了研究混凝土各方面性能的有力手腕。隨著此刻計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，許多工程問(wèn)題的模擬可以通過(guò)某些軟件來(lái)模擬、分析、優(yōu)化等，進(jìn)行解決。而ANSYS是目前國(guó)際上主流的有限元分析軟件，他有眾多的單元可供選擇，可以取得不同階段的受力性能，和很完備的前處置和后處置。而且ANSYS可以對(duì)鋼筋混凝土的各類(lèi)結(jié)構(gòu)在各類(lèi)外載荷條件下的受力，變形，穩(wěn)定及各類(lèi)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(guān)分析、ANSYSABSTRACTConcreteisthemostwidelyusedincivilengineeringpurposes,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.Keywords: Concrete,Microscopicanalysis,ANSYS緒論研究背景：混凝土是目前世界上用量最大、最為普遍的建筑材料。混凝土結(jié)構(gòu)具有耐火性好、耐久性好、可塑性好、整體性好等長(zhǎng)處，隨著現(xiàn)代土木工程的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑、道路、橋梁、水利工程等各方向?；炷两Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用雖然只有很短的一百連年的歷史，但她具有比磚石、鋼木結(jié)構(gòu)更為優(yōu)良的諸多特點(diǎn)，因此發(fā)展的前景很好。目前我國(guó)每一年混凝土的利用量可能在10億m3,用量之大、耗資之多，居世界首位，所以對(duì)于混凝土的各類(lèi)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)組成的復(fù)合材料，其破壞進(jìn)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，加載以后，微裂紋不斷萌生、擴(kuò)展和貫通，最終致使混凝土材料的失效。另外，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?jī)?nèi)容主如果對(duì)混凝土強(qiáng)度及相關(guān)的力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)和各類(lèi)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份與結(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(guān)點(diǎn)通過(guò)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，因此實(shí)驗(yàn)肯定的強(qiáng)度再也不是材料完全重復(fù)的性質(zhì)，而是依賴(lài)結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)。尺寸效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能再也不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著材料的幾何尺寸的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度只能通過(guò)結(jié)構(gòu)自身的測(cè)試來(lái)肯定。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(cè)試的實(shí)驗(yàn)室尺寸會(huì)愈來(lái)愈小，而且由小試件取得的試件斷裂破壞結(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?，F(xiàn)代科學(xué)的一個(gè)重要的思維方式與研究方式就是層次方式，在對(duì)客觀(guān)世界的研究中，當(dāng)在某一層次問(wèn)題無(wú)法解決時(shí)，若深切到下一個(gè)層次，問(wèn)題或許就可能迎刃而解，同時(shí)也只有進(jìn)入下一層次，才能揭露更深層次的機(jī)理，混凝土斷裂問(wèn)題的研究也一樣如此，同時(shí)對(duì)于上面所提到的問(wèn)題，在這里，或許就可以夠取得比較滿(mǎn)意的解決?；炷潦且环N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(guān)點(diǎn)，即把混凝土材料的研究分為三個(gè)尺度，即宏觀(guān)、細(xì)觀(guān)和微觀(guān)，而文獻(xiàn)(1)將混凝土材料的研究分為四個(gè)層次：宏觀(guān)層次(Macro—Level)或稱(chēng)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)果反映了必然體積內(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(chēng)之為宏觀(guān)應(yīng)力和宏觀(guān)應(yīng)變，由于各類(lèi)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)的存在，宏觀(guān)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系一般是非線(xiàn)性的，宏觀(guān)層次斷裂按均質(zhì)體斷裂力學(xué)進(jìn)行分析。細(xì)觀(guān)層次(Meso—Level)或稱(chēng)組構(gòu)層次，混凝土被稱(chēng)為是一種有骨料、砂漿和他們之間的過(guò)渡區(qū)(粘結(jié)帶)組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，細(xì)觀(guān)內(nèi)部裂隙的發(fā)展直接影響混凝土的宏觀(guān)力學(xué)性能，該層次的模型一般是毫米或厘米量級(jí)。微觀(guān)層次(Micro—Level)在這個(gè)層次中，以為砂漿的非均質(zhì)性是由漿體中的間隙所產(chǎn)生的，間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)散布，水泥砂漿力學(xué)性能可近似看做細(xì)觀(guān)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(guān)層次(Naso—Level)，混凝土的納觀(guān)層次以為水泥漿本身也是一種隨機(jī)的復(fù)合材料，其組成部份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)成份，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(guān)層次微觀(guān)層次細(xì)觀(guān)層次宏觀(guān)層次結(jié)構(gòu)層次簡(jiǎn)稱(chēng)Naso一LevelMicro—LevelMeso一LevelMacro一LevelSystem—Level量級(jí)10-610-310-3~10-2100103學(xué)科納米力學(xué)微觀(guān)力學(xué)微觀(guān)力學(xué)材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)細(xì)觀(guān)損傷力學(xué)彈塑，性力學(xué)損傷斷裂力學(xué)用宏觀(guān)斷裂模型分析混凝土是結(jié)構(gòu)工程師的觀(guān)點(diǎn)，在宏觀(guān)層次上的研究?jī)H能在必然精度下解決工程問(wèn)題，按材料學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，該層次的研究方式過(guò)于粗糙，無(wú)法揭露混凝土結(jié)構(gòu)、組成與性能之間的關(guān)系，只有進(jìn)入到細(xì)微觀(guān)層次才能解決，高強(qiáng)度混凝土的出現(xiàn)就是微細(xì)觀(guān)層次研究的一個(gè)重大功效，他是通過(guò)摻入外加劑，改變混凝土的細(xì)微觀(guān)—粗骨料與水泥砂漿界面的性質(zhì)而誕生的，微觀(guān)斷裂模型雖然考慮了水泥砂漿基體中的孔隙隨機(jī)散布，但是由于實(shí)際上很寶貴到不包括任何孔隙的“凈”水泥砂漿的材料特性，何況對(duì)于肯定配合比的水泥砂漿試件（雖然包括著孔隙），其材料特性也比較穩(wěn)定，可有少量試件的實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出，因此可不考慮微觀(guān)層次的結(jié)構(gòu)狀況，水泥的納觀(guān)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)層次把混凝土看做是由粗骨料、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(cè)材料的破壞抗力等力學(xué)指標(biāo)，成立混凝土的細(xì)觀(guān)與宏觀(guān)性能之間的關(guān)系，下圖為細(xì)觀(guān)層次混凝土的三相結(jié)構(gòu)圖，按照目前計(jì)算機(jī)分析能力及當(dāng)前的技術(shù)水平，細(xì)觀(guān)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)用的方式，最近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試設(shè)備的發(fā)展，在細(xì)觀(guān)層次上用計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測(cè)材料結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程已成為本學(xué)科目前的研究重點(diǎn)?；炷良?xì)觀(guān)力學(xué)模型國(guó)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(guān)層次上，即研究混凝土組成結(jié)構(gòu)對(duì)于混凝土材料破壞進(jìn)程的影響，和習(xí)慣裂痕發(fā)展與宏觀(guān)力學(xué)性能之間的關(guān)系，混凝土的細(xì)觀(guān)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(guān)力學(xué)性能相聯(lián)系，在對(duì)于混凝土細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)熟悉的基礎(chǔ)上，各國(guó)學(xué)者提出了許多研究混凝土材料的細(xì)觀(guān)力學(xué)模型和方式，目前，國(guó)內(nèi)外已有多種細(xì)觀(guān)模型被用來(lái)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，這些方式的一路的特點(diǎn)就是：著眼于細(xì)觀(guān)尺度，考慮混凝土的多相性，將隨機(jī)分析等理論方式與計(jì)算力學(xué)相結(jié)合，研究混凝土的破壞進(jìn)程及其宏觀(guān)力學(xué)的響應(yīng)特性。下面簡(jiǎn)要介紹幾種常常利用的細(xì)觀(guān)力學(xué)模型1.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(guān)力學(xué)的思想應(yīng)用到材料破壞的問(wèn)題上，將持續(xù)介質(zhì)在細(xì)觀(guān)尺度上離散為有桿、梁?jiǎn)卧B接而成的格構(gòu)系統(tǒng)，每一個(gè)單元朝表材料的一個(gè)小部份，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)服從某種既定的散布規(guī)律，并沿用持續(xù)介質(zhì)力學(xué)方式描述單元的行為，引入簡(jiǎn)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(xiàn)彈性分析，計(jì)算出格構(gòu)中個(gè)單元的局部應(yīng)力，超過(guò)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)不可逆的進(jìn)程，某個(gè)單元破壞后，荷載將從頭分派，再次計(jì)算出下個(gè)破壞單元，不斷重復(fù)計(jì)算進(jìn)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(guān)破壞進(jìn)程。2.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