專利名稱：一種大體積混凝土溫度開裂數值模擬方法
技術領域：
本發明屬于水利水電工程領域，尤其涉及一種大體積混凝土溫度開裂數值模擬方法。
背景技術：
隨著近年來國內多個300m級高拱壩的建設，大體積混凝土溫度裂縫問題日益突出，大體積混凝土溫度裂縫控制問題成為學界關注和討論的焦點。在混凝土壩的施工過程中和運行期間，大體積混凝土結構中往往會由于溫度的變化而產生很大的拉應力，所以在大體積混凝土結構中往往會出現裂縫。如果是表面裂縫，會對混凝土的耐久性造成損害，若發展為深層或貫穿性裂縫，會影響混凝土結構的整體性，改變結構的應力分布和受力條件，從而有可能使混凝土的局部結構甚至是整體結構發生破壞，危害很大。因此，混凝土的溫度應力分析、防止裂縫的措施，是大體積混凝土結構設計與施工中十分重要的課題，研究大體積混凝土在溫度荷載下的開裂機理，對大壩安全評估、科學指導大壩設計施工建設、保障工程質量安全等都有重要意義。混凝土是由骨料、砂漿等組成的多相復合材料，其中還存在著許多天然或者人為的微裂紋。混凝土的開裂，實質是一個微裂紋的萌生、擴展、貫通、直至整體失穩的過程，是一個從細觀損傷演化到宏觀破裂的漸進演化誘致突變過程，因此，僅從宏觀角度無法真實反映混凝土的多相復合組成和材料的非均質特性，也無法反應微裂縫的存在、擴展、延伸和貫通過程。目前，國內外學者關于溫度開裂方面的研究主要是基于宏觀層次上的，將混凝土看做單一均值的材料來研究，無法真實的反映混凝土的細觀結構，自然也就無法得到真實的溫度開裂行為。極少數學者在混凝土細觀結構方面展開了研究，一般通過隨機力學特性模型，考慮混凝土各相組分力學特性分布的隨機性，卻未能考慮骨料顆粒的形狀、級配和在計算域內的隨機分布，且都僅限于小尺寸混凝土試件的研究。而在大體積混凝土溫度裂縫的細觀開裂機理、動態擴展模擬方法方面，至今國內外還沒有相關的研究成果。
發明內容
本發明的目的是提供一種大體積混凝土溫度開裂數值模擬方法，該方法可準確、便捷地預測在溫度荷載下，混凝土從細觀損傷到開裂的過程。本發明的一種大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，包括以下步驟步驟一，建立混凝土的實體模型，所述的實體模型由骨料和砂漿組成；步驟二，將步驟一所得實體模型離散為一系列實體單元；步驟三，在步驟二所得各實體單元之間插入有厚度界面單元以形成混凝土細觀模型；步驟四，模擬混凝土的溫度場；步驟五，采用連續-離散耦合方法模擬混凝土模型在步 驟四的溫度場下的細觀開裂過程。
所述步驟一中實體模型的骨料采用如下方法生成首先根據骨料的顆粒級配曲線將骨料的粒徑分為若干個粒徑區間，然后針對各個粒徑區間逐一構建骨料顆粒直至骨料顆粒含量滿足顆粒級配曲線的級配要求，上述針對各粒徑區間構建骨料顆粒依次包括以下子步驟I)根據粒徑區間的上下限隨機生成一個橢圓，所生成的橢圓的半軸a、b分別為a=!T1+Cr2-IT1)randl, b = !T1+(rm)rand2,其中為粒徑區間的下限；r2為粒徑區間的上限；randl、rand2為區間
內均勻分布的獨立隨機數；2)在步驟I所得橢圓上隨機布頂點，并將各頂點順次連接形成凸多邊形，所得凸多邊形即為一個骨料顆粒％，其中，j為骨料顆粒的編號，其初始值為I ;3)判斷所生成骨料顆粒的數量m，若m為1，則將j加I后， 循環執行步驟I);否則，執行步驟4)；4)將骨料顆粒％與之前生成的所有骨料顆粒逐一進行是否相交判斷，只要骨料顆粒與任一骨料顆粒存在相交，則刪除骨料顆粒然后循環執行步驟I ;否則，將j加I后再循環執行步驟I)。上述步驟2)中各橢圓上頂點的數值n為n = [nmin+(nmax_nmin) rand+1],其中，rand為區間
內均勻分布的獨立隨機數，Iimil^nmax可根據顆粒的實際形狀取值；對橢圓形上
X. = Xn + a COS 69.
各頂點順次編號，則第i個頂點坐標(Xi，yi)為^'，其中，i e [l，n]，且
w & smp
i為整數；(Xc^ytl)為橢圓的圓心坐標；奶是極坐標系中的方位角，在
區間內均勻分布。上述步驟4)中判斷骨料顆粒之間是否存在相交進一步包括步驟①比較第一骨料顆粒和第二骨料顆粒所在橢圓的圓心距離和長半軸之和，若圓心距離大于長半軸之和，則兩骨料顆粒不相交；否則，執行步驟2)；②判斷第一骨料顆粒是否存在一條邊，使得第二骨料顆粒所有頂點在均在該邊一偵牝而第一骨料顆粒所在橢圓的圓心在該邊另一側，如果存在，則兩骨料顆粒不相交；否則，兩骨料顆粒相交。步驟一中實體模型的砂漿采用采用如下方法模擬按照混凝土尺寸建立一矩形，從矩形中減去骨料顆粒，即得到砂漿。步驟二中采用三棱柱形網格對實體模型進行離散。步驟三中在各實體單元之間插入有厚度界面單元進一步包括以下子步驟I、在步驟二所得各實體單元之間插入界面單元，該步驟具體為首先，記錄混凝土實體模型中各實體單元與實體單元所屬節點的原始編號，對各實體單元及實體單元所屬節點重新編號，使實體單元之間無共用節點，得到新的實體模型，并建立各實體單元及其所屬節點在新實體模型和原始實體模型中的對應關系；然后，搜索原始實體模型中所有有相鄰面的實體單元，并記錄每組相鄰實體單元和相鄰面的編號；接著，在新實體模型中分別找出在與之對應的每組相鄰實體單元和相鄰面，并記錄兩個相鄰面上的八個節點編號；最后，兩個相鄰面上的八個節點就組成界面單元；2、在界面單元基礎上生成有厚度界面單元，該步驟具體為
將各實體單元以形心為中心進行縮小后，連接實體單元相鄰面上八個節點即為有
厚度界面單元。步驟四中是采用連續介質有限元方法模擬混凝土的溫度場。步驟五中連續-離散耦合分析方法具體為假定在溫度荷載下，混凝土的損傷和斷裂僅發生在有厚度界面單元上，實體單元僅發生彈性變形，采用內聚力模型描述有厚度界面單元的應力與變形關系，采用帶拉斷的Mohr-Coulomb準則作為有厚度界面單元的破壞準則；當有厚度界面單元的應力狀態滿足破壞準則后，則采用基于斷裂能的線性損傷演化模型模擬有厚度界面單元的失效過程；當有厚度界面單元失效后，采用線性剛度接觸模型來模擬實體單元的接觸關系。 與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果本發明方法充分考慮了骨料顆粒的形狀、級配和在計算域內的隨機分布情況，能更為真實地模擬混凝土的細觀結構，從而能更真實的模擬大體積混凝土中裂紋的萌生、擴展與貫通，即可以反映出混凝土材料從小變形到大變形直至破壞的全過程。
圖I為具體實施中生成的骨料顆粒示意圖；圖2為具體實施中生成的砂漿示意圖；圖3為具體實施中實體模型的離散示意圖；圖4為具體實施中所得有厚度界面單元和實體單元示意圖；圖5為具體實施中寒潮溫降幅度為5°C時混凝土的溫度場；圖6為具體實施中寒潮溫降幅度為10°C時混凝土塊的溫度場；圖7為具體實施中混凝土中裂紋的萌發及mises應力示意圖；圖8為具體實施中混凝土中裂紋的擴展及mises應力示意圖；圖9為具體實施中混凝土中裂紋的延伸及mises應力示意圖；圖10為具體實施中混凝土最終開裂及mises應力示意圖；圖11為具體實施中裂紋與骨料顆粒的位置關系示意圖。
具體實施例方式本發明方法在充分考慮了骨料顆粒的形狀、級配和在計算域內的隨機分布情況的基礎上，首先建立混凝土的實體模型，該實體模型由骨料和砂漿組成，用來模擬混凝土的兩相細觀結構；然后，將實體模型離散為一系列實體單元；接著，在各實體單元之間插入有厚度界面單元以形成混凝土模型；最后采用連續-離散耦合方法模擬出有厚度界面單元在溫度場下的細觀開裂過程。下面將結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。本發明提出的一種大體積混凝土溫度開裂數值模擬方法，具體步驟如下步驟一，建立混凝土的實體模型，該實體模型由骨料和砂漿組成。I.實體模型中骨料的生成混凝土中的骨料，一般由大塊石破碎而成，形狀為外凸型，并符合一定的顆粒級配和含量。本發明運用隨機模擬技術生成形狀隨機的骨料顆粒并讓各骨料顆粒在空間中隨機分布。生成骨料時，首先根據 骨料的顆粒級配曲線將骨料顆粒分為若干組粒徑區間，確定每組粒徑區間的上下限，按粒徑區間從大到小生成每組粒徑區間內的骨料顆粒直到骨料顆粒含量滿足顆粒級配曲線的級配要求。當含有大量細骨料時，如果模擬骨料的完整的顆粒級配曲線，那么需要模擬的骨料顆粒的數目將會十分龐大，使計算效率大大降低，因此，為了提高計算效率，在這種情況下可將顆粒級配曲線進行截斷處理，例如，將顆粒級配曲線中粒徑小于IOmm的顆粒用粒徑為IOmm的顆粒進行等量替換。為了反映混凝土中的骨料顆粒的不規則形態和外凸性，在生成的橢圓上隨機布頂點，然后將各頂點順次連接形成內接凸多邊形以表示骨料顆粒。本具體實施中，骨料采用如下萬法生成首先根據骨料的顆粒級配曲線將骨料的粒徑分為若干個粒徑區間，然后針對各個粒徑區間逐一構建骨料顆粒直至骨料顆粒含量滿足顆粒級配曲線的級配要求，上述針對各粒徑區間構建骨料顆粒依次包括以下子步驟I)根據粒徑區間的上下限隨機生成一個橢圓，所生成的橢圓的半軸a、b分別為a=!T1+Cr2-IT1)randl, b = !T1+(rm)rand2,其中為粒徑區間的下限；r2為粒徑區間的上限；randl、rand2為區間
內均勻分布的獨立隨機數，即，randl、rand2取
內中任何數值的概率是均等的。2)在步驟I)所得橢圓上隨機布頂點，并將各頂點順次連接形成凸多邊形，所得凸多邊形即為一個骨料顆粒％，其中，j為骨料顆粒的編號，其初始值為I。為了保證得到的骨料顆粒形狀具有足夠的隨機性，橢圓上所布頂點數n在[nmin，nmax]之間均勻分布
權利要求
1.ー種大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，建立混凝土的實體模型，所述的實體模型由骨料和砂漿組成； 步驟ニ，將步驟一所得實體模型離散為一系列實體單元； 步驟三，在步驟ニ所得各實體單元之間插入有厚度界面單元以形成混凝土細觀模型； 步驟四，模擬混凝土的溫度場； 步驟五，采用連續-離散耦合方法模擬混凝土模型在步驟四的溫度場下的細觀開裂過程。
2.根據權利要求I所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述步驟一中實體模型的骨料采用如下方法生成 首先根據骨料的顆粒級配曲線將骨料的粒徑分為若干個粒徑區間，然后針對各個粒徑區間逐一構建骨料顆粒直至骨料顆粒含量滿足顆粒級配曲線的級配要求，上述針對各粒徑區間構建骨料顆粒依次包括以下子步驟 1)根據粒徑區間的上下限隨機生成一個橢圓，所生成的橢圓的半軸a、b分別為a=A+Cr2-Ir1)randl, b = !T1+Cr2-Ir1)rand2,其中為粒徑區間的下限；r2為粒徑區間的上限；randl、rand2為區間
內均勻分布的獨立隨機數； 2)在步驟I所得橢圓上隨機布頂點，并將各頂點順次連接形成凸多邊形，所得凸多邊形即為ー個骨料顆粒％，其中，j為骨料顆粒的編號，其初始值為I ; 3)判斷所生成骨料顆粒的數量m，若m為1，則將j加I后，循環執行步驟I);否則，執行步驟4)； 4)將骨料顆粒％與之前生成的所有骨料顆粒逐一進行是否相交判斷，只要骨料顆粒Mj與任一骨料顆粒存在相交，則刪除骨料顆粒％，然后循環執行步驟I ;否則，將j加I后再循環執行步驟I)。
3.根據權利要求2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟2)中橢圓上頂點的數值η為n = [nmin+(nmax-nmin)rand+l],其中,rand為區間
內均勻分布的獨立隨機數，nmin、nmax可根據顆粒的實際形狀取值；對橢圓形上各頂點順次編號，則第i個頂點坐標(Xi，yi)為j 1 X° , . Ψ ，其中，i e [l，n]，且i為 只=タο +^smp整數；(Xo，yo)為橢圓的圓心坐標；奶是極坐標系中的方位角，在[o，2ji]區間內均勻分布。
4.根據權利要求2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟4)中判斷骨料顆粒之間是否存在相交進ー步包括步驟 ①比較第一骨料顆粒和第二骨料顆粒所在橢圓的圓心距離和長半軸之和，若圓心距離大于長半軸之和，則兩骨料顆粒不相交；否則，執行步驟2)； ②判斷第一骨料顆粒是否存在一條邊，使得第二骨料顆粒所有頂點在均在該邊ー側，而第一骨料顆粒所在橢圓的圓心在該邊另ー側，如果存在，則兩骨料顆粒不相交；否則，兩骨料顆粒相交。
5.根據權利要求I或2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟一中實體模型的砂漿采用采用如下方法模擬 按照混凝土尺寸建立一矩形，從矩形中減去骨料顆粒，即得到砂漿。
6.根據權利要求I或2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟ニ中采用三棱柱形網格對實體模型進行離散。
7.根據權利要求I或2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟三中在各實體單元之間插入有厚度界面単元進ー步包括以下子步驟 1)在步驟ニ所得各實體單元之間插入界面単元，該步驟具體為 首先，記錄混凝土實體模型中各實體單元與實體單元所屬節點的原始編號，對各實體単元及實體單元所屬節點重新編號，使實體單元之間無共用節點，得到新的實體模型，并建立各實體單元及其所屬節點在新實體模型和原始實體模型中的對應關系；然后，捜索原始實體模型中所有有相鄰面的實體單元，并記錄每組相鄰實體単元和相鄰面的編號；接著，在新實體模型中分別找出在與之對應的每組相鄰實體単元和相鄰面，并記錄兩個相鄰面上的八個節點編號；最后，兩個相鄰面上的八個節點就組成界面単元； 2)在界面単元基礎上生成有厚度界面単元，該步驟具體為 將各實體單元以形心為中心進行縮小后，連接實體単元相鄰面上八個節點即為有厚度界面単元。
8.根據權利要求I或2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟四中是采用連續介質有限元方法模擬混凝土的溫度場。
9.根據權利要求I或2所述的大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，其特征在于 所述的步驟五中連續-離散耦合分析方法具體為 假定在溫度荷載下，混凝土的損傷和斷裂僅發生在有厚度界面単元上，實體單元僅發生彈性變形，采用內聚カ模型描述有厚度界面単元的應カ與變形關系，采用帶拉斷的Mohr-Coulomb準則作為有厚度界面單元的破壞準則；當有厚度界面單元的應カ狀態滿足破壞準則后，則采用基于斷裂能的線性損傷演化模型模擬有厚度界面単元的失效過程；當有厚度界面単元失效后，采用線性剛度接觸模型來模擬實體単元的接觸關系。
全文摘要
本發明公開了一種大體積混凝土溫控開裂數值模擬方法，包括以下步驟步驟一，建立混凝土的實體模型，所述的實體模型由骨料和砂漿組成；步驟二，將步驟一所得實體模型離散為一系列實體單元；步驟三，在步驟二所得各實體單元之間插入有厚度界面單元以形成混凝土細觀模型；步驟四，模擬混凝土的溫度場；步驟五，采用連續－離散耦合方法模擬混凝土模型在步驟四的溫度場下的細觀開裂過程。本發明方法充分考慮了骨料顆粒的形狀、級配和在計算域內的隨機分布情況，能更為真實地模擬混凝土的細觀結構，從而能更真實的模擬大體積混凝土中裂紋的萌生、擴展與貫通，即可以反映出混凝土材料從小變形到大變形直至破壞的全過程。
文檔編號G01N33/38GK102628861SQ20121010425
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者劉杏紅, 周偉, 常曉林, 朱靜萍, 馬剛 申請人:武漢大學