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钢筋混凝土的细观分析 摘要 混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的建筑材料，可以按预定性能设计和制作，研制轻质，高强度，多功能的建筑材料，一般意义上的混凝土是指用水泥作胶凝剂，用砂或石作为集料，用水（加或不加外加剂和掺合剂）按一定的比例配合，经过搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土。混凝土可以看做一种人工石材，由于其原料丰富，造价低廉，工艺简单的特性，使其在工程中有广泛的应用。由此可知：混凝土是一种复杂的多相复合材料，它的力学性能依赖于不同组成部分各自的力学性能，同时，混凝土内部构造又显著地影响着裂纹的萌生和发展，所以，用细观层次上的研究方法，将混凝土材料看成是一种非均质的混合材料成为了研究混凝土各方面性能的有力手段。随着现在计算机科学的发展，许多工程问题的模拟可以通过某些软件来模拟、分析、优化等，进行解决。而ANSYS是目前国际上主流的有限元分析软件，他有众多的单元可供选择，可以获得不同阶段的受力性能，以及很完备的前处理和后处理。并且ANSYS可以对钢筋混凝土的各种结构在各种外载荷条件下的受力，变形，稳定及各种动力特性作出全面的分析，因此，ANSYS对钢筋混凝土结构的力学行为的模拟有很大的意义。关键字:混凝土、细观分析、ANSYS ABSTRACT Concrete is the most widely used in civil engineering purposes, the largest amount of construction materials, pre-performance design and production, the development of lightweight, high strength, multi-functional building materials, and general sense of the concrete is cement, a gelling agent,with sand or stone aggregate, water (with or without admixtures and admixtures) with a certain proportion after mixing, molding, curing derived cement concrete. The concrete can be seen as a kind of artificial stone, due to its abundant raw materials, low cost, simple process, characteristics, so that a wide range of applications in engineering. Can be seen: concrete is a complex multi-phase composite, its mechanical properties depend on the different components of the mechanical properties of the same time, the internal structure of concrete significantly affects the crack initiation and development, so, using micro the level of research methods, the concrete material as a non-homogeneous mixture of materials has become a powerful means to study various aspects of performance of the concrete.With the development of computer science, simulation of many engineering problems can be some software to simulate, analyze, optimize, etc., to resolve the issue. ANSYS is currently on the international mainstream of the finite element analysis software, he has a large number of units to choose from, different stages of performance, and complete pre-treatment and post-processing. And ANSYS can be of reinforced concrete structure under various external load conditions, deformation, stability, and a variety of dynamic characteristics to make a comprehensive analysis, therefore, the ANSYS simulation of the mechanical behavior of reinforced concrete structures have great significance.Key words: Concrete, Microscopic analysis,ANSYS 绪论研究背景： 混凝土是目前世界上用量最大、最为广泛的建筑材料。混凝土结构具有耐火性好、耐久性好、可塑性好、整体性好等优点，随着现代土木工程的发展，混凝土结构已经广泛应用于工业及民用建筑、道路、桥梁、水利工程等各方向。混凝土结构的应用虽然只有很短的一百多年的历史，但她具有比砖石、钢木结构更为优异的诸多特点，因此发展的前景很好。目前我国每年混凝土的使用量大概在10亿m，用量之大、耗资之多，居世界首位，所以对于混凝土的各种性能的研究也便具有了很重要的实际意义。 混凝土是由骨料和砂浆基质构成的复合材料，其破坏过程要比理想的脆性材料复杂的多，在加载之前，混凝土材料内部已经存在微孔血、微裂纹等，加载之后，微裂纹不断萌生、扩展和贯通，最终导致混凝土材料的失效。此外，裂纹扩展路径曲折，裂纹面也很粗糙，混凝土构件的断裂可能是砂浆基质的断裂或骨料的断裂，也可能是砂浆与骨料之间粘结面的断裂，还有就是这些断裂的组合。 与此同时，混凝土的力学行为还与试件的尺寸、骨料的大小等因素有关，混凝土尺寸效应现象的研究内容主要是对混凝土强度及相关的力学参数的尺寸效应以及各种力学参数之间的关系进行研究，这些研究有助于解释混凝土组成成分与结构性能之间的内在关系，从而推动了固体力学学科的发展，同时正确指导了工程实践。研究混凝土的层次观点经过实验结果的表明，试件的尺寸对混凝土材料的名义强度和韧度等都有明显的影响，因而试验确定的强度不再是材料完全重复的性质，而是依赖结构尺寸的参数。尺寸效应是指材料的力学性能不再是一个常数，而是随着材料的几何尺寸的变化而变化。结构的强度只能通过结构自身的测试来确定。一方面，在土木、水利等学科中，由于研究的实际结构尺寸相对比较的大（桥梁、大坝、掩体等），难以进行真实结构的模拟，仅能在实验室中进行小尺寸试件的模拟。另一方面，随着混凝土强度向高强度发展，受实验条件的限制，强度测试的实验室尺寸会越来越小，并且由小试件得到的试件断裂破坏结构对大结构的指导意义及实用性如何，是重大的研究对象。现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次方法，在对客观世界的研究中，当在某一层次问题无法解决时，若深入到下一个层次，问题或许就可能迎刃而解，同时也只有进入下一层次，才能揭示更深层次的机理，混凝土断裂问题的研究也同样如此，同时对于上面所提到的问题，在这里，或许就可以得到比较满意的解决。混凝土是一种可以在多尺度下研究的复合材料，Zaitsev和Wwttman提出了结构层次的观点，即把混凝土材料的研究分为三个尺度，即宏观、细观和微观，而文献（1）将混凝土材料的研究分为四个层次：1. 宏观层次（MacroLevel）或称为工程结构层次，混凝土这种非均质材料存在着特征体积，经验的特征体积相当于34倍的最大骨料体积，当大于这种特征体积时，材料假定为均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将会十分明显，有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变称之为宏观应力和宏观应变，由于各种结构缺陷的存在，宏观的应力应变关系一般是非线性的，宏观层次断裂按均质体断裂力学进行分析。2. 细观层次（MesoLevel）或称组构层次，混凝土被称为是一种有骨料、砂浆和他们之间的过渡区（粘结带）组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展直接影响混凝土的宏观力学性能，该层次的模型一般是毫米或厘米量级。3. 微观层次（MicroLevel）在这个层次中，认为砂浆的非均质性是由浆体中的空隙所产生的，空隙的尺寸大致为毫米量级，由于砂浆中的孔隙很小且很多，随机分布，水泥砂浆力学性能可近似看作细观均质损伤体，同配合比、同条件的砂浆试件有关，通常其力学性能也比较稳定。4. 纳观层次（NasoLevel），混凝土的纳观层次认为水泥浆本身也是一种随机的复合材料，其组成部分为未水化的熟料颗粒、水化硅酸钙、氢氧化钙晶体、毛细孔和其他的化学成分，该层次毛细孔的尺寸是微米或亚微米量级。如图：层次纳观层次微观层次细观层次宏观层次结构层次简称NasoLevelMicroLevelMesoLevelMacroLevelSystemLevel量级学科纳米力学微观力学微观力学材料力学结构力学细观损伤力学弹塑性力学损伤断裂力学用宏观断裂模型分析混凝土是结构工程师的观点，在宏观层次上的研究仅能在一定精度下解决工程问题，按材料学的观点，该层次的研究方法过于粗糙，无法揭示混凝土结构、组成与性能之间的关系，只有进入到细微观层次才能解决，高强度混凝土的出现就是微细观层次研究的一个重大成果，他是通过掺入外加剂，改变混凝土的细微观粗骨料与水泥砂浆界面的性质而诞生的，微观断裂模型虽然考虑了水泥砂浆基体中的孔隙随机分布，然而由于实际上很难得到不包含任何孔隙的“净”水泥砂浆的材料特性，况且对于确定配合比的水泥砂浆试件（尽管包含着孔隙），其材料特性也比较稳定，可有少量试件的试验直接测出，因此可不考虑微观层次的结构状况，水泥的纳观模型，主要着眼于水泥水化物，是水泥化学家和材料学家的研究方向，习惯结构层次把混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆基体和二者间的界面所组成的三相非均质复合材料，研究混凝土内部裂纹的形成、扩展，预测材料的破坏抗力等力学指标，建立混凝土的细观与宏观性能之间的关系，下图为细观层次混凝土的三相结构图，根据目前计算机分析能力及当前的技术水平，细观结构层次似乎是评价混凝土复合性能更可行与更实用的方法，近年来，随着计算机技术与测试设备的发展，在细观层次上用计算机模拟和预测材料结构的破坏过程已成为本学科目前的研究重点。混凝土细观力学模型国内外研究现状 在今天的计算机水平下，混凝土试件的数值模拟主要集中在细观层次上，即研究混凝土组成结构对于混凝土材料破坏过程的影响，以及习惯裂缝发展与宏观力学性能之间的关系，混凝土的细观力学研究不仅能正确反映出混凝土复合材料性能，又能与实际的宏观力学性能相联系，在对于混凝土细观结构认识的基础上，各国学者提出了许多研究混凝土材料的细观力学模型和方法，目前，国内外已有多种细观模型被用来研究混凝土材料的力学性能，如：有限元基础上提出的格构模型（Lattice Model）、随机颗粒模型（Random Particle）、MH模型（Micromechanical Model）、随机骨料模型（Random Aggregate Model）等模型，这些方法的共同的特点就是：着眼于细观尺度，考虑混凝土的多相性，将随机分析等理论方法与计算力学相结合，研究混凝土的破坏过程及其宏观力学的响应特性。下面简要介绍几种常用的细观力学模型1. 格构模型：格构模型的思想产生于20世纪70年代，格构模型将细观力学的思想应用到材料破坏的问题上，将连续介质在细观尺度上离散为有杆、梁单元连接而成的格构系统，每个单元代表材料的一个小部分，网格的划分一般为规则的三角形或四边形，也可是随机形态的不规则网格，如下图。假定单元力学性质服从某种既定的分布规律，并沿用连续介质力学方法描述单元的行为，引入简单的单元本构关系，在外载荷作用下对整体网格进行线弹性分析，计算出格构中个单元的局部应力，超过破坏阀值的单元将从整体网格中除去，单元的破坏和路径是一个不可逆的过程，某个单元破坏后，荷载将重新分配，再次计算出下个破坏单元，不断重复计算过程，直至整个系统完全破坏，单元的渐进破坏即可反映出材料的宏观破坏过程。如图：2. 随机颗粒模型：随机颗粒模型是由Bazant等人在20世纪90年代提出的，主要模拟颗粒固体材料，该模型的假定材料是由一些随机分布的圆形颗粒组成，如图，该模型考虑了粒子分布的随机性，以模拟混凝土的骨料，但忽略了相邻颗粒之间接触层的剪切与弯曲作用力，认为骨料颗粒是弹性的，可以因受力而变形，而不是刚性的。这些粒子随机分布在基体中，基体也被认为是弹性的，颗粒的周围是与基体的接触层，该层被假设具有应变软化特性。当单元卸载时，仍然保持原有的刚度。该模型在细观层次上应用线弹性断裂力学把骨料之间的基体看作理想的裂纹体进行研究，可以分析混凝土试样在单轴拉伸和压缩应力状态下的应力应变响应，所得到的结果与一些实验结果具有相似性。该模型的模拟除需要骨料的弹性力学参数和几何参数以外，骨料之间基体的参数选取也是非常重要的，这些参数（如内聚力、摩擦角等）一般根据砂浆基体和混凝土之间粘结面的性质来选取，由于试验资料较少，比较难以选择，由于该模型实际上假定混凝土骨料是弹性的并且不会发生破坏，不适宜于研究一些软骨料混凝土。如图：3. 随机骨料模型：随机骨料模型是在随机颗粒模型的基础上演变而来的，刘光廷和王宗敏（1996）从细观力学的角度把混凝土视为水泥砂浆、骨料和两者之间的粘结带构成的三相复合材料，用蒙特卡洛方法产生出混凝土的随机骨料结构，并将有限元网格投影到结构图中，根据不同类型单元的位置确定单元的材料特性，用以代表混凝土的三相结构，采用非线性有限元技术模拟了单边裂纹受拉试件从损伤到断裂破坏的全过程，其模拟的宏观结果和试验的软化曲线近似。