鋼筋混凝土的細觀分析

鋼筋混凝土的細觀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)計和制作，研制輕質(zhì)，高強度，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，通過攪拌、成型、養(yǎng)護而得的水泥混凝土?；炷量梢钥醋鲆环N人工石材，由于其原料豐碩，造價低廉，工藝簡單的特性，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)性能依賴于不同組成部份各自的力學(xué)性能，同時，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，用細觀層次上的研究方式，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。隨著此刻計算機科學(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可以對鋼筋混凝土的各類結(jié)構(gòu)在各類外載荷條件下的受力，變形，穩(wěn)定及各類動力特性作出全面的分析，因此，ANSYS對鋼筋混凝土結(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、細觀分析、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?；炷两Y(jié)構(gòu)具有耐火性好、耐久性好、可塑性好、整體性好等長處，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，因此發(fā)展的前景很好。目前我國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，所以對于混凝土的各類性能的研究也便具有了很重要的實際意義。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、擴展和貫通，最終致使混凝土材料的失效。另外，裂紋擴展路徑曲折，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，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)容主如果對混凝土強度及相關(guān)的力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)和各類力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系進行研究，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，從而推動了固體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，同時正確指導(dǎo)了工程實踐。研究混凝土的層次觀點通過實驗結(jié)果的表明，試件的尺寸對混凝土材料的名義強度和韌度等都有明顯的影響，因此實驗肯定的強度再也不是材料完全重復(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)性能再也不是一個常數(shù)，而是隨著材料的幾何尺寸的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。結(jié)構(gòu)的強度只能通過結(jié)構(gòu)自身的測試來肯定。一方面，在土木、水利等學(xué)科中，由于研究的實際結(jié)構(gòu)尺寸相對比較的大(橋梁、大壩、掩體等)，難以進行真實結(jié)構(gòu)的模擬，僅能在實驗室中進行小尺寸試件的模擬。另一方面，隨著混凝土強度向高強度發(fā)展，受實驗條件的限制，強度測試的實驗室尺寸會愈來愈小，而且由小試件取得的試件斷裂破壞結(jié)構(gòu)對大結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意義及實用性如何，是重大的研究對象。現(xiàn)代科學(xué)的一個重要的思維方式與研究方式就是層次方式，在對客觀世界的研究中，當在某一層次問題無法解決時，若深切到下一個層次，問題或許就可能迎刃而解，同時也只有進入下一層次，才能揭露更深層次的機理，混凝土斷裂問題的研究也一樣如此，同時對于上面所提到的問題，在這里，或許就可以夠取得比較滿意的解決。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，即把混凝土材料的研究分為三個尺度，即宏觀、細觀和微觀，而文獻(1)將混凝土材料的研究分為四個層次：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)驗的特征體積相當于3~4倍的最大骨料體積，當大于這種特征體積時，材料假定為均質(zhì)的，當小于這種特征體積時，材料的非均質(zhì)性將會十分明顯，有限元計算結(jié)果反映了必然體積內(nèi)的平均效應(yīng)，這個特征體積的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變稱之為宏觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)變，由于各類結(jié)構(gòu)缺點的存在，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)進行分析。細觀層次(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。微觀層次(Micro—Level)在這個層次中，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，由于砂漿中的孔隙很小且很多，隨機散布，水泥砂漿力學(xué)性能可近似看做細觀均質(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)，混凝土的納觀層次以為水泥漿本身也是一種隨機的復(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、毛細孔和其他的化學(xué)成份，該層次毛細孔的尺寸是微米或亞微米量級。如圖：層次納觀層次微觀層次細觀層次宏觀層次結(jié)構(gòu)層次簡稱Naso一LevelMicro—LevelMeso一LevelMacro一LevelSystem—Level量級10-610-310-3~10-2100103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)細觀損傷力學(xué)彈塑，性力學(xué)損傷斷裂力學(xué)用宏觀斷裂模型分析混凝土是結(jié)構(gòu)工程師的觀點，在宏觀層次上的研究僅能在必然精度下解決工程問題，按材料學(xué)的觀點，該層次的研究方式過于粗糙，無法揭露混凝土結(jié)構(gòu)、組成與性能之間的關(guān)系，只有進入到細微觀層次才能解決，高強度混凝土的出現(xiàn)就是微細觀層次研究的一個重大功效，他是通過摻入外加劑，改變混凝土的細微觀—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散布，但是由于實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，可有少量試件的實驗直接測出，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、擴展，預(yù)測材料的破壞抗力等力學(xué)指標，成立混凝土的細觀與宏觀性能之間的關(guān)系，下圖為細觀層次混凝土的三相結(jié)構(gòu)圖，按照目前計算機分析能力及當前的技術(shù)水平，細觀結(jié)構(gòu)層次似乎是評價混凝土復(fù)合性能更可行與更實用的方式，最近幾年來，隨著計算機技術(shù)與測試設(shè)備的發(fā)展，在細觀層次上用計算機模擬和預(yù)測材料結(jié)構(gòu)的破壞進程已成為本學(xué)科目前的研究重點?；炷良氂^力學(xué)模型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在今天的計算機水平下，混凝土試件的數(shù)值模擬主要集中在細觀層次上，即研究混凝土組成結(jié)構(gòu)對于混凝土材料破壞進程的影響，和習(xí)慣裂痕發(fā)展與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，混凝土的細觀力學(xué)研究不僅能正確反映出混凝土復(fù)合材料性能，又能與實際的宏觀力學(xué)性能相聯(lián)系，在對于混凝土細觀結(jié)構(gòu)熟悉的基礎(chǔ)上，各國學(xué)者提出了許多研究混凝土材料的細觀力學(xué)模型和方式，目前，國內(nèi)外已有多種細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)、隨機顆粒模型(RandomParticle)、MH模型(MicromechanicalModel)、隨機骨料模型(RandomAggregateModel)等模型，這些方式的一路的特點就是：著眼于細觀尺度，考慮混凝土的多相性，將隨機分析等理論方式與計算力學(xué)相結(jié)合，研究混凝土的破壞進程及其宏觀力學(xué)的響應(yīng)特性。下面簡要介紹幾種常常利用的細觀力學(xué)模型1.格構(gòu)模型：格構(gòu)模型的思想產(chǎn)生于20世紀70年代，格構(gòu)模型將細觀力學(xué)的思想應(yīng)用到材料破壞的問題上，將持續(xù)介質(zhì)在細觀尺度上離散為有桿、梁單元連接而成的格構(gòu)系統(tǒng)，每一個單元朝表材料的一個小部份，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，引入簡單的單元本構(gòu)關(guān)系，在外載荷作用下對整體網(wǎng)格進行線彈性分析，計算出格構(gòu)中個單元的局部應(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不可逆的進程，某個單元破壞后，荷載將從頭分派，再次計算出下個破壞單元，不斷重復(fù)計算進程，直至整個系統(tǒng)完全破壞，單元的漸進破壞即可反映出材料的宏觀破壞進程。2.隨機顆粒模型：隨機顆粒模型是由Bazant等人在20世紀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