专利名称：一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法
技术领域：
本发明属于水利水电工程领域，尤其涉及一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法。
背景技术：
随着近年来国内多个300m级高拱坝的建设，大体积混凝土温度裂缝问题日益突出，大体积混凝土温度裂缝控制问题成为学界关注和讨论的焦点。在混凝土坝的施工过程中和运行期间，大体积混凝土结构中往往会由于温度的变化而产生很大的拉应力，所以在大体积混凝土结构中往往会出现裂缝。如果是表面裂缝，会对混凝土的耐久性造成损害，若发展为深层或贯穿性裂缝，会影响混凝土结构的整体性，改变结构的应力分布和受力条件，从而有可能使混凝土的局部结构甚至是整体结构发生破坏，危害很大。因此，混凝土的温度应力分析、防止裂缝的措施，是大体积混凝土结构设计与施工中十分重要的课题，研究大体积混凝土在温度荷载下的开裂机理，对大坝安全评估、科学指导大坝设计施工建设、保障工程质量安全等都有重要意义。混凝土是由骨料、砂浆等组成的多相复合材料，其中还存在着许多天然或者人为的微裂纹。混凝土的开裂，实质是一个微裂纹的萌生、扩展、贯通、直至整体失稳的过程，是一个从细观损伤演化到宏观破裂的渐进演化诱致突变过程，因此，仅从宏观角度无法真实反映混凝土的多相复合组成和材料的非均质特性，也无法反应微裂缝的存在、扩展、延伸和贯通过程。目前，国内外学者关于温度开裂方面的研究主要是基于宏观层次上的，将混凝土看做单一均值的材料来研究，无法真实的反映混凝土的细观结构，自然也就无法得到真实的温度开裂行为。极少数学者在混凝土细观结构方面展开了研究，一般通过随机力学特性模型，考虑混凝土各相组分力学特性分布的随机性，却未能考虑骨料颗粒的形状、级配和在计算域内的随机分布，且都仅限于小尺寸混凝土试件的研究。而在大体积混凝土温度裂缝的细观开裂机理、动态扩展模拟方法方面，至今国内外还没有相关的研究成果。
发明内容
本发明的目的是提供一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法，该方法可准确、便捷地预测在温度荷载下，混凝土从细观损伤到开裂的过程。本发明的一种大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，包括以下步骤步骤一，建立混凝土的实体模型，所述的实体模型由骨料和砂浆组成；步骤二，将步骤一所得实体模型离散为一系列实体单元；步骤三，在步骤二所得各实体单元之间插入有厚度界面单元以形成混凝土细观模型；步骤四，模拟混凝土的温度场；步骤五，采用连续-离散耦合方法模拟混凝土模型在步 骤四的温度场下的细观开裂过程。
所述步骤一中实体模型的骨料采用如下方法生成首先根据骨料的颗粒级配曲线将骨料的粒径分为若干个粒径区间，然后针对各个粒径区间逐一构建骨料颗粒直至骨料颗粒含量满足颗粒级配曲线的级配要求，上述针对各粒径区间构建骨料颗粒依次包括以下子步骤I)根据粒径区间的上下限随机生成一个椭圆，所生成的椭圆的半轴a、b分别为a=!T1+Cr2-IT1)randl, b = !T1+(rm)rand2,其中为粒径区间的下限；r2为粒径区间的上限；randl、rand2为区间
内均勻分布的独立随机数；2)在步骤I所得椭圆上随机布顶点，并将各顶点顺次连接形成凸多边形，所得凸多边形即为一个骨料颗粒％，其中，j为骨料颗粒的编号，其初始值为I ;3)判断所生成骨料颗粒的数量m，若m为1，则将j加I后， 循环执行步骤I);否则，执行步骤4)；4)将骨料颗粒％与之前生成的所有骨料颗粒逐一进行是否相交判断，只要骨料颗粒与任一骨料颗粒存在相交，则删除骨料颗粒然后循环执行步骤I ;否则，将j加I后再循环执行步骤I)。上述步骤2)中各椭圆上顶点的数值n为n = [nmin+(nmax_nmin) rand+1],其中，rand为区间
内均匀分布的独立随机数，Iimil^nmax可根据颗粒的实际形状取值；对椭圆形上
X. = Xn + a COS 69.
各顶点顺次编号，则第i个顶点坐标(Xi，yi)为^'，其中，i e [l，n]，且
w & smp
i为整数；(Xc^ytl)为椭圆的圆心坐标；奶是极坐标系中的方位角，在
区间内均匀分布。上述步骤4)中判断骨料颗粒之间是否存在相交进一步包括步骤①比较第一骨料颗粒和第二骨料颗粒所在椭圆的圆心距离和长半轴之和，若圆心距离大于长半轴之和，则两骨料颗粒不相交；否则，执行步骤2)；②判断第一骨料颗粒是否存在一条边，使得第二骨料颗粒所有顶点在均在该边一侦牝而第一骨料颗粒所在椭圆的圆心在该边另一侧，如果存在，则两骨料颗粒不相交；否则，两骨料颗粒相交。步骤一中实体模型的砂浆采用采用如下方法模拟按照混凝土尺寸建立一矩形，从矩形中减去骨料颗粒，即得到砂浆。步骤二中采用三棱柱形网格对实体模型进行离散。步骤三中在各实体单元之间插入有厚度界面单元进一步包括以下子步骤I、在步骤二所得各实体单元之间插入界面单元，该步骤具体为首先，记录混凝土实体模型中各实体单元与实体单元所属节点的原始编号，对各实体单元及实体单元所属节点重新编号，使实体单元之间无共用节点，得到新的实体模型，并建立各实体单元及其所属节点在新实体模型和原始实体模型中的对应关系；然后，搜索原始实体模型中所有有相邻面的实体单元，并记录每组相邻实体单元和相邻面的编号；接着，在新实体模型中分别找出在与之对应的每组相邻实体单元和相邻面，并记录两个相邻面上的八个节点编号；最后，两个相邻面上的八个节点就组成界面单元；2、在界面单元基础上生成有厚度界面单元，该步骤具体为
将各实体单元以形心为中心进行缩小后，连接实体单元相邻面上八个节点即为有
厚度界面单元。步骤四中是采用连续介质有限元方法模拟混凝土的温度场。步骤五中连续-离散耦合分析方法具体为假定在温度荷载下，混凝土的损伤和断裂仅发生在有厚度界面单元上，实体单元仅发生弹性变形，采用内聚力模型描述有厚度界面单元的应力与变形关系，采用带拉断的Mohr-Coulomb准则作为有厚度界面单元的破坏准则；当有厚度界面单元的应力状态满足破坏准则后，则采用基于断裂能的线性损伤演化模型模拟有厚度界面单元的失效过程；当有厚度界面单元失效后，采用线性刚度接触模型来模拟实体单元的接触关系。 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果本发明方法充分考虑了骨料颗粒的形状、级配和在计算域内的随机分布情况，能更为真实地模拟混凝土的细观结构，从而能更真实的模拟大体积混凝土中裂纹的萌生、扩展与贯通，即可以反映出混凝土材料从小变形到大变形直至破坏的全过程。
图I为具体实施中生成的骨料颗粒示意图；图2为具体实施中生成的砂浆示意图；图3为具体实施中实体模型的离散示意图；图4为具体实施中所得有厚度界面单元和实体单元示意图；图5为具体实施中寒潮温降幅度为5°C时混凝土的温度场；图6为具体实施中寒潮温降幅度为10°C时混凝土块的温度场；图7为具体实施中混凝土中裂纹的萌发及mises应力示意图；图8为具体实施中混凝土中裂纹的扩展及mises应力示意图；图9为具体实施中混凝土中裂纹的延伸及mises应力示意图；图10为具体实施中混凝土最终开裂及mises应力示意图；图11为具体实施中裂纹与骨料颗粒的位置关系示意图。
具体实施例方式本发明方法在充分考虑了骨料颗粒的形状、级配和在计算域内的随机分布情况的基础上，首先建立混凝土的实体模型，该实体模型由骨料和砂浆组成，用来模拟混凝土的两相细观结构；然后，将实体模型离散为一系列实体单元；接着，在各实体单元之间插入有厚度界面单元以形成混凝土模型；最后采用连续-离散耦合方法模拟出有厚度界面单元在温度场下的细观开裂过程。下面将结合附图和具体实施例进一步说明本发明。本发明提出的一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法，具体步骤如下步骤一，建立混凝土的实体模型，该实体模型由骨料和砂浆组成。I.实体模型中骨料的生成混凝土中的骨料，一般由大块石破碎而成，形状为外凸型，并符合一定的颗粒级配和含量。本发明运用随机模拟技术生成形状随机的骨料颗粒并让各骨料颗粒在空间中随机分布。生成骨料时，首先根据 骨料的颗粒级配曲线将骨料颗粒分为若干组粒径区间，确定每组粒径区间的上下限，按粒径区间从大到小生成每组粒径区间内的骨料颗粒直到骨料颗粒含量满足颗粒级配曲线的级配要求。当含有大量细骨料时，如果模拟骨料的完整的颗粒级配曲线，那么需要模拟的骨料颗粒的数目将会十分庞大，使计算效率大大降低，因此，为了提高计算效率，在这种情况下可将颗粒级配曲线进行截断处理，例如，将颗粒级配曲线中粒径小于IOmm的颗粒用粒径为IOmm的颗粒进行等量替换。为了反映混凝土中的骨料颗粒的不规则形态和外凸性，在生成的椭圆上随机布顶点，然后将各顶点顺次连接形成内接凸多边形以表示骨料颗粒。本具体实施中，骨料采用如下万法生成首先根据骨料的颗粒级配曲线将骨料的粒径分为若干个粒径区间，然后针对各个粒径区间逐一构建骨料颗粒直至骨料颗粒含量满足颗粒级配曲线的级配要求，上述针对各粒径区间构建骨料颗粒依次包括以下子步骤I)根据粒径区间的上下限随机生成一个椭圆，所生成的椭圆的半轴a、b分别为a=!T1+Cr2-IT1)randl, b = !T1+(rm)rand2,其中为粒径区间的下限；r2为粒径区间的上限；randl、rand2为区间
内均勻分布的独立随机数，即，randl、rand2取
内中任何数值的概率是均等的。2)在步骤I)所得椭圆上随机布顶点，并将各顶点顺次连接形成凸多边形，所得凸多边形即为一个骨料颗粒％，其中，j为骨料颗粒的编号，其初始值为I。为了保证得到的骨料颗粒形状具有足够的随机性，椭圆上所布顶点数n在[nmin，nmax]之间均匀分布
权利要求
1.ー种大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一，建立混凝土的实体模型，所述的实体模型由骨料和砂浆组成； 步骤ニ，将步骤一所得实体模型离散为一系列实体单元； 步骤三，在步骤ニ所得各实体单元之间插入有厚度界面单元以形成混凝土细观模型； 步骤四，模拟混凝土的温度场； 步骤五，采用连续-离散耦合方法模拟混凝土模型在步骤四的温度场下的细观开裂过程。
2.根据权利要求I所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述步骤一中实体模型的骨料采用如下方法生成 首先根据骨料的颗粒级配曲线将骨料的粒径分为若干个粒径区间，然后针对各个粒径区间逐一构建骨料颗粒直至骨料颗粒含量满足颗粒级配曲线的级配要求，上述针对各粒径区间构建骨料颗粒依次包括以下子步骤 1)根据粒径区间的上下限随机生成一个椭圆，所生成的椭圆的半轴a、b分别为a=A+Cr2-Ir1)randl, b = !T1+Cr2-Ir1)rand2,其中为粒径区间的下限；r2为粒径区间的上限；randl、rand2为区间
内均勻分布的独立随机数； 2)在步骤I所得椭圆上随机布顶点，并将各顶点顺次连接形成凸多边形，所得凸多边形即为ー个骨料颗粒％，其中，j为骨料颗粒的编号，其初始值为I ; 3)判断所生成骨料颗粒的数量m，若m为1，则将j加I后，循环执行步骤I);否则，执行步骤4)； 4)将骨料颗粒％与之前生成的所有骨料颗粒逐一进行是否相交判断，只要骨料颗粒Mj与任一骨料颗粒存在相交，则删除骨料颗粒％，然后循环执行步骤I ;否则，将j加I后再循环执行步骤I)。
3.根据权利要求2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤2)中椭圆上顶点的数值η为n = [nmin+(nmax-nmin)rand+l],其中,rand为区间
内均匀分布的独立随机数，nmin、nmax可根据颗粒的实际形状取值；对椭圆形上各顶点顺次编号，则第i个顶点坐标(Xi，yi)为j 1 X° , . Ψ ，其中，i e [l，n]，且i为 只=タο +^smp整数；(Xo，yo)为椭圆的圆心坐标；奶是极坐标系中的方位角，在[o，2ji]区间内均匀分布。
4.根据权利要求2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤4)中判断骨料颗粒之间是否存在相交进ー步包括步骤 ①比较第一骨料颗粒和第二骨料颗粒所在椭圆的圆心距离和长半轴之和，若圆心距离大于长半轴之和，则两骨料颗粒不相交；否则，执行步骤2)； ②判断第一骨料颗粒是否存在一条边，使得第二骨料颗粒所有顶点在均在该边ー侧，而第一骨料颗粒所在椭圆的圆心在该边另ー侧，如果存在，则两骨料颗粒不相交；否则，两骨料颗粒相交。
5.根据权利要求I或2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤一中实体模型的砂浆采用采用如下方法模拟 按照混凝土尺寸建立一矩形，从矩形中减去骨料颗粒，即得到砂浆。
6.根据权利要求I或2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤ニ中采用三棱柱形网格对实体模型进行离散。
7.根据权利要求I或2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤三中在各实体单元之间插入有厚度界面単元进ー步包括以下子步骤 1)在步骤ニ所得各实体单元之间插入界面単元，该步骤具体为 首先，记录混凝土实体模型中各实体单元与实体单元所属节点的原始编号，对各实体単元及实体单元所属节点重新编号，使实体单元之间无共用节点，得到新的实体模型，并建立各实体单元及其所属节点在新实体模型和原始实体模型中的对应关系；然后，捜索原始实体模型中所有有相邻面的实体单元，并记录每组相邻实体単元和相邻面的编号；接着，在新实体模型中分别找出在与之对应的每组相邻实体単元和相邻面，并记录两个相邻面上的八个节点编号；最后，两个相邻面上的八个节点就组成界面単元； 2)在界面単元基础上生成有厚度界面単元，该步骤具体为 将各实体单元以形心为中心进行缩小后，连接实体単元相邻面上八个节点即为有厚度界面単元。
8.根据权利要求I或2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤四中是采用连续介质有限元方法模拟混凝土的温度场。
9.根据权利要求I或2所述的大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，其特征在于 所述的步骤五中连续-离散耦合分析方法具体为 假定在温度荷载下，混凝土的损伤和断裂仅发生在有厚度界面単元上，实体单元仅发生弹性变形，采用内聚カ模型描述有厚度界面単元的应カ与变形关系，采用带拉断的Mohr-Coulomb准则作为有厚度界面单元的破坏准则；当有厚度界面单元的应カ状态满足破坏准则后，则采用基于断裂能的线性损伤演化模型模拟有厚度界面単元的失效过程；当有厚度界面単元失效后，采用线性刚度接触模型来模拟实体単元的接触关系。
全文摘要
本发明公开了一种大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，包括以下步骤步骤一，建立混凝土的实体模型，所述的实体模型由骨料和砂浆组成；步骤二，将步骤一所得实体模型离散为一系列实体单元；步骤三，在步骤二所得各实体单元之间插入有厚度界面单元以形成混凝土细观模型；步骤四，模拟混凝土的温度场；步骤五，采用连续－离散耦合方法模拟混凝土模型在步骤四的温度场下的细观开裂过程。本发明方法充分考虑了骨料颗粒的形状、级配和在计算域内的随机分布情况，能更为真实地模拟混凝土的细观结构，从而能更真实的模拟大体积混凝土中裂纹的萌生、扩展与贯通，即可以反映出混凝土材料从小变形到大变形直至破坏的全过程。
文档编号G01N33/38GK102628861SQ20121010425
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者刘杏红, 周伟, 常晓林, 朱静萍, 马刚 申请人:武汉大学