混凝土受压和冻融循环过程的ANSYS模拟
|
摘要
混凝土材料试验是使试件从逐步开裂直至整体破坏的研究过程。只有对试验的全部结果进行了分析,才可能估计出试件的受力特性。而某些实验研究不但非常昂贵,还需要耗费大量的人力、时间,因此混凝土材料的非线性有限元分析正突显出日益重要的作用。
混凝土的非线性特性来源于其材料非匀质特征。混凝土在水泥浆和骨料之间、在水泥浆内部存在着大量的微裂缝、微气泡,内部的石子砂子大小分布也不均匀。随着荷载的增加,这些裂缝不断发展,混凝土的力学性质也不断变化,反映在应力应变曲线上就是非线性的。本文采用大型有限元软件ANSYS,利用分离式有限元模型和离散裂缝模型,通过模拟混凝土受压过程中内部裂缝的发展,来对混凝土进行非线性有限元分析。
在模拟混凝土试件受压的同时,本文还通过对试验条件适当的简化,模拟了混凝土冻融循环试验。本文中将混凝土分为骨料、砂浆、界面过渡区三部分,从混凝土的细观损伤着手,研究由于冻融循环引起的冻胀变形、微裂缝等因素,对混凝土各部分宏观力学性能造成的影响,再将已经受冻融循环的各部分组合到一起,进行整体冻融后宏观力学性能的测定。
本文中的模拟方法具有通用性,当把模型中的材料参数,换为其它等级混凝土的材料参数时即可对其它等级的混凝土进行模拟。本文的冻融循环的模拟试验中,在孔隙孔壁上施加了冻胀力。如果能通过实验测定混凝土受腐蚀时,在孔隙内产生新的化合物产生的膨胀力大小及变化规律,即可对其进行模拟。以较小的代价,尽可能真实地模拟混凝土受压和冻融循环试验,及试验中混凝土内部细观损伤是本文的目标。
To destroy the Concrete specimen until the whole specimen ruin is so called Materials Test. Only if study all data of the experiment, can we estimate the force characteristics of the specimen. Since some experiment cost not only lots of money, but also people resource and time, the Finite Element Analysis(FEA) of Concrete specimen is becoming increasingly important.
The sources of the Concrete's nonlinearity characteristics are the material's uniformity. There are lots of micro-cracks and micro bubbles in the cement and between the cement and aggregate. Sand and stone's size and distribution are not uniform in the Concrete. As the load increases, these cracks continue to develop the mechanical properties of concrete are also changing, reflected in the stress-strain curve is nonlinear. In this paper, the finite element software we use is ANSYS, using separate finite element model and the discrete crack model, by simulating the process of internal cracks in concrete with the development of pressure, to study the concrete's nonlinear.
When we simulate the compression of the concrete specimens, we also simulate the concrete specimens'freeze-thaw cycle test by appropriately simplify the test conditions. In this paper, Concrete will be divided into aggregates, cement and the transition zone between the aggregates and cement. We first study the influence on the three parts'mechanical properties caused by deformation and micro-cracks occur in the freeze-thaw cycle. Then we can make up the three parts and test the entirety's mechanical properties.
The method of this simulation is universal, we can change the material parameters to simulate other strength grades of concrete. In this freeze-thaw cycle simulation, we apply frost heaving force in the pores. To simulate the freeze-thaw cycle experiment as realistically as possible and study on the micro-damage in the concrete is my goal in this paper.
混凝土的非线性特性来源于其材料非匀质特征。混凝土在水泥浆和骨料之间、在水泥浆内部存在着大量的微裂缝、微气泡,内部的石子砂子大小分布也不均匀。随着荷载的增加,这些裂缝不断发展,混凝土的力学性质也不断变化,反映在应力应变曲线上就是非线性的。本文采用大型有限元软件ANSYS,利用分离式有限元模型和离散裂缝模型,通过模拟混凝土受压过程中内部裂缝的发展,来对混凝土进行非线性有限元分析。
在模拟混凝土试件受压的同时,本文还通过对试验条件适当的简化,模拟了混凝土冻融循环试验。本文中将混凝土分为骨料、砂浆、界面过渡区三部分,从混凝土的细观损伤着手,研究由于冻融循环引起的冻胀变形、微裂缝等因素,对混凝土各部分宏观力学性能造成的影响,再将已经受冻融循环的各部分组合到一起,进行整体冻融后宏观力学性能的测定。
本文中的模拟方法具有通用性,当把模型中的材料参数,换为其它等级混凝土的材料参数时即可对其它等级的混凝土进行模拟。本文的冻融循环的模拟试验中,在孔隙孔壁上施加了冻胀力。如果能通过实验测定混凝土受腐蚀时,在孔隙内产生新的化合物产生的膨胀力大小及变化规律,即可对其进行模拟。以较小的代价,尽可能真实地模拟混凝土受压和冻融循环试验,及试验中混凝土内部细观损伤是本文的目标。
To destroy the Concrete specimen until the whole specimen ruin is so called Materials Test. Only if study all data of the experiment, can we estimate the force characteristics of the specimen. Since some experiment cost not only lots of money, but also people resource and time, the Finite Element Analysis(FEA) of Concrete specimen is becoming increasingly important.
The sources of the Concrete's nonlinearity characteristics are the material's uniformity. There are lots of micro-cracks and micro bubbles in the cement and between the cement and aggregate. Sand and stone's size and distribution are not uniform in the Concrete. As the load increases, these cracks continue to develop the mechanical properties of concrete are also changing, reflected in the stress-strain curve is nonlinear. In this paper, the finite element software we use is ANSYS, using separate finite element model and the discrete crack model, by simulating the process of internal cracks in concrete with the development of pressure, to study the concrete's nonlinear.
When we simulate the compression of the concrete specimens, we also simulate the concrete specimens'freeze-thaw cycle test by appropriately simplify the test conditions. In this paper, Concrete will be divided into aggregates, cement and the transition zone between the aggregates and cement. We first study the influence on the three parts'mechanical properties caused by deformation and micro-cracks occur in the freeze-thaw cycle. Then we can make up the three parts and test the entirety's mechanical properties.
The method of this simulation is universal, we can change the material parameters to simulate other strength grades of concrete. In this freeze-thaw cycle simulation, we apply frost heaving force in the pores. To simulate the freeze-thaw cycle experiment as realistically as possible and study on the micro-damage in the concrete is my goal in this paper.
引文
[1]张粉芹,彭一春,王起才.C20混凝土组成材料与孔结构及性能关系的研究[J].城市道桥与防洪.2009.4(4).
[2]黄焱,史庆增,宋安.冰的温度膨胀力研究[J].中国造船.2003.44.
[3]张社荣,李升,彭敏瑞.冰温度膨胀力对渡槽结构影响的有限元分析[J].天津大学学报.2008.41(9)
[4]申爱琴.超声波法测定水泥砂浆弹性模量的可靠性分析[J].西安公路学院学报.1994.14(2).
[5]常留红,陈建康.单轴压缩下水泥砂浆本构关系的试验研究[J].水利学报.2007.38(2).
[6]孙兵,仇文革,顾鑫杰.寒区裂隙围岩隧道冻胀力有限元分析[J].路基工程.2009.144(3).
[7]万玲,彭向和,林发荣.混凝土尺寸效应机理的有限元分析[J].地下空间.2004.24(4).
[8]徐新生,徐卫生.混凝土过渡区对混凝土物质渗透性影响[J].山东建材.1999.3.
[9]魏国强,詹炳根,孙道胜.混凝土集料—浆体界面过渡区细观结构表征技术综述[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版).2008.16(4).
[10]马怀发,陈厚群,黎保琨.混凝土试件细观结构的数值模拟[J].水利学报.2004.10.
[11]王瑶,周继凯,沈德建,王岩.混凝土中骨料—浆体界面过渡区的力学性能研究综述[J].水利水电科技进展.2008.28(2).
[12]尚岩,杜成斌.基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展[J].水利与建筑工程学报.2004.2(1).
[13]刘功科.砂浆在单轴受压状态下的应力—应变关系的研究分析[J].民营科技.2008.3.
[14]刘轶翔,邓德华.水胶比、矿渣掺量对水泥砂浆强度及流动度影响的研究[J].工程设计与建设.2005.37(1).
[15]郑楠,刘季.水泥砂浆冻融循环后单轴抗压强度试验研究[J].中国新技术新产品.2009.24.
[16]赵鹏,唐红梅.危岩主控结构面的冻胀力计算公式研究[J].重庆交通大学学报.2008.27(3).
[17]肖建庄,刘琼,李文贵,Vivian Tam.再生混凝土细细观结构的破坏机理研究[J].青岛理工大学学报.2009.30(4).
[18]范磊,曾艳华,何川,程小虎.寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分布规律[J].中国铁道科学.2007.28(1).
[19]王宗敏,邱志章.混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分[J].计算力学学报.2005.22(6).
[20]黄焱,史庆增,宋安.冰温度膨胀力的有限元分析[J].水利学报.2005.36(3).
[21]王泽云,不同强度等级混凝土尺寸效应的讨论[J].四川建筑科学研究.2005.31(1).
[22]沈培荣,卢宗福,张中奇.粗骨料品种与特细砂高强泵送混凝土的弹性模量[J].建筑技术.2008.28(1).
[23]张嘉欣,杨隽.防冻剂在水泥砂浆冻胀变形中的作用[J].低温建筑技术.1992.2.
[24]王佳权.缓倾状顺层岩石边坡冰胀作用失稳初探[J].贵州水力发电.2009.23(3).
[25]程压,张才生.混凝土冻融损伤层厚度的超声检测[J].新型建筑材料.2009.36(2).
[26]胡顺洋,万天昌,李存笔.混凝土基体材料孔隙度的试验研究[J].山西建筑.2009.35(36).
[27]吴胜兴.混凝土裂缝开展宽度计算的有限单元法[J].计算力学学报.1997.14(1).
[28]薛继乐,黄家宝.混凝土损伤断裂数值分析的应用研究[J].广东水利水电.2004.8(4)
[29]田双珠,丁嵬,王元战.基于ANSYS的钢筋混凝土构件裂缝宽度计算方法[J].水道港 口.2008.29(5).
[30]肖建庄,杜江涛,刘琼.基于格构模型再生混凝土单轴受压数值模拟[J].建筑材料学报.2009.12(5).
[31]王振军,沙爱民.水泥混凝土浆体—集料界面过渡区结构与性能试验技术[J].南昌大学学报.2007.29(2).
[32]周敏,李国忠.外加材料对水泥混凝土孔隙率的影响[J].中北大学学报(自然科学版).2009.30(4).
[33]史庆增,徐阳.约束冰层温度膨胀力的研究[J].海洋学报.2000.22(3).
[34]杨于绩.防冻外加剂对水泥混凝土冻胀影响探讨[J].黑龙江省低温建筑科学研究所.
[35]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].人民交通出版社.2007.10.
[36]姚燕,王玲,田培.高性能混凝土[M].化学工业出版社.2006.09.
[37]过镇海.混凝土的强度和变形[M].清华大学出版社.1997.12.
[38]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社.1979.02
[39]清华大学.混凝土结构[M].中国建筑工业出版社.2005.01
[40]冯乃谦,邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性[M].机械工业出版社.2009.01
[41]杨志慧.不同钢纤维掺量活性粉末混凝土的抗拉力学性能研究[D].北京交通大学.2006.12.
[42]陈磊.基于ANSYS的钢筋混凝土结构有限元分析[D].西安理工大学.2004.30.
[43]西德尼·明德斯,J.弗朗西斯·杨,戴维·达尔文.吴科如,张雄.混凝土[M].化学工业出版社.2005.01.
[44]P.Kumar Methta, Paulo J.M.Monteiro.CONCRETE[M].McGraw-Hill Companies.1976.09.
[45]冷发光,戎君明,丁威等.GB／T50082-2009.2010.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].施工技术.2010.02.
[2]黄焱,史庆增,宋安.冰的温度膨胀力研究[J].中国造船.2003.44.
[3]张社荣,李升,彭敏瑞.冰温度膨胀力对渡槽结构影响的有限元分析[J].天津大学学报.2008.41(9)
[4]申爱琴.超声波法测定水泥砂浆弹性模量的可靠性分析[J].西安公路学院学报.1994.14(2).
[5]常留红,陈建康.单轴压缩下水泥砂浆本构关系的试验研究[J].水利学报.2007.38(2).
[6]孙兵,仇文革,顾鑫杰.寒区裂隙围岩隧道冻胀力有限元分析[J].路基工程.2009.144(3).
[7]万玲,彭向和,林发荣.混凝土尺寸效应机理的有限元分析[J].地下空间.2004.24(4).
[8]徐新生,徐卫生.混凝土过渡区对混凝土物质渗透性影响[J].山东建材.1999.3.
[9]魏国强,詹炳根,孙道胜.混凝土集料—浆体界面过渡区细观结构表征技术综述[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版).2008.16(4).
[10]马怀发,陈厚群,黎保琨.混凝土试件细观结构的数值模拟[J].水利学报.2004.10.
[11]王瑶,周继凯,沈德建,王岩.混凝土中骨料—浆体界面过渡区的力学性能研究综述[J].水利水电科技进展.2008.28(2).
[12]尚岩,杜成斌.基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展[J].水利与建筑工程学报.2004.2(1).
[13]刘功科.砂浆在单轴受压状态下的应力—应变关系的研究分析[J].民营科技.2008.3.
[14]刘轶翔,邓德华.水胶比、矿渣掺量对水泥砂浆强度及流动度影响的研究[J].工程设计与建设.2005.37(1).
[15]郑楠,刘季.水泥砂浆冻融循环后单轴抗压强度试验研究[J].中国新技术新产品.2009.24.
[16]赵鹏,唐红梅.危岩主控结构面的冻胀力计算公式研究[J].重庆交通大学学报.2008.27(3).
[17]肖建庄,刘琼,李文贵,Vivian Tam.再生混凝土细细观结构的破坏机理研究[J].青岛理工大学学报.2009.30(4).
[18]范磊,曾艳华,何川,程小虎.寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分布规律[J].中国铁道科学.2007.28(1).
[19]王宗敏,邱志章.混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分[J].计算力学学报.2005.22(6).
[20]黄焱,史庆增,宋安.冰温度膨胀力的有限元分析[J].水利学报.2005.36(3).
[21]王泽云,不同强度等级混凝土尺寸效应的讨论[J].四川建筑科学研究.2005.31(1).
[22]沈培荣,卢宗福,张中奇.粗骨料品种与特细砂高强泵送混凝土的弹性模量[J].建筑技术.2008.28(1).
[23]张嘉欣,杨隽.防冻剂在水泥砂浆冻胀变形中的作用[J].低温建筑技术.1992.2.
[24]王佳权.缓倾状顺层岩石边坡冰胀作用失稳初探[J].贵州水力发电.2009.23(3).
[25]程压,张才生.混凝土冻融损伤层厚度的超声检测[J].新型建筑材料.2009.36(2).
[26]胡顺洋,万天昌,李存笔.混凝土基体材料孔隙度的试验研究[J].山西建筑.2009.35(36).
[27]吴胜兴.混凝土裂缝开展宽度计算的有限单元法[J].计算力学学报.1997.14(1).
[28]薛继乐,黄家宝.混凝土损伤断裂数值分析的应用研究[J].广东水利水电.2004.8(4)
[29]田双珠,丁嵬,王元战.基于ANSYS的钢筋混凝土构件裂缝宽度计算方法[J].水道港 口.2008.29(5).
[30]肖建庄,杜江涛,刘琼.基于格构模型再生混凝土单轴受压数值模拟[J].建筑材料学报.2009.12(5).
[31]王振军,沙爱民.水泥混凝土浆体—集料界面过渡区结构与性能试验技术[J].南昌大学学报.2007.29(2).
[32]周敏,李国忠.外加材料对水泥混凝土孔隙率的影响[J].中北大学学报(自然科学版).2009.30(4).
[33]史庆增,徐阳.约束冰层温度膨胀力的研究[J].海洋学报.2000.22(3).
[34]杨于绩.防冻外加剂对水泥混凝土冻胀影响探讨[J].黑龙江省低温建筑科学研究所.
[35]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].人民交通出版社.2007.10.
[36]姚燕,王玲,田培.高性能混凝土[M].化学工业出版社.2006.09.
[37]过镇海.混凝土的强度和变形[M].清华大学出版社.1997.12.
[38]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社.1979.02
[39]清华大学.混凝土结构[M].中国建筑工业出版社.2005.01
[40]冯乃谦,邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性[M].机械工业出版社.2009.01
[41]杨志慧.不同钢纤维掺量活性粉末混凝土的抗拉力学性能研究[D].北京交通大学.2006.12.
[42]陈磊.基于ANSYS的钢筋混凝土结构有限元分析[D].西安理工大学.2004.30.
[43]西德尼·明德斯,J.弗朗西斯·杨,戴维·达尔文.吴科如,张雄.混凝土[M].化学工业出版社.2005.01.
[44]P.Kumar Methta, Paulo J.M.Monteiro.CONCRETE[M].McGraw-Hill Companies.1976.09.
[45]冷发光,戎君明,丁威等.GB／T50082-2009.2010.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].施工技术.2010.02.