[發明專利]一種基于耦合格構模型的長齡期混凝土開裂模擬方法

有效

• 申請號: 202110309630.7
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113092248B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 周偉;田文祥;陳凌霄;高宇;李通盛;馬剛;常曉林;王橋;劉搖
• 申請（專利權）人: 武漢大學;大唐宣威水電開發有限公司
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N15/08;G01N33/38
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 李煒

1.一種基于耦合格構模型的長齡期混凝土開裂模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：根據待模擬長齡期混凝土的水泥基底材料的配合比，進行水泥漿體的水化熱試驗，獲取水泥基底材料的水化曲線，并建立水化度與齡期之間的關系；

步驟2：根據待模擬長齡期混凝土的配合比，配制澆筑形成實驗室尺寸的混凝土試件；按照標準程序養護，并對不同養護齡期的混凝土試件進行力學性能測試，獲取不同齡期的混凝土的力學參數；

步驟3：將進行力學性能測試后破壞的混凝土碎屑收集起來，進行混凝土孔隙分布測試，以獲得混凝土內部的孔隙特征分布；

步驟4：根據待模擬長齡期混凝土的配合比，建立混凝土隨機骨料模型，該骨料模型由骨料單元、界面過渡區單元和砂漿基質單元組成；然后根據步驟3測得的混凝土的孔隙分布，參照混凝土隨機骨料模型的單元尺寸分辨率，確定待模擬孔隙尺寸的模擬范圍；然后在混凝土隨機骨料模型的基礎上，建立考慮孔隙分布的混凝土隨機骨料模型，并將其轉化為多自由度格構模型；

所述的考慮孔隙分布的混凝土隨機骨料模型，其建立方法為，按照待模擬孔隙尺寸的模擬范圍，在砂漿基質單元和界面過渡區單元中，刪除部分單元作為孔隙；

所述的多自由度格構模型，是將考慮孔隙分布的混凝土隨機骨料模型的每一個小立方體單元，提取其體心和單元頂點坐標，按照小立方體單元12條棱形成12根桿單元，8個節點與體心連接形成8個桿單元，體心與相鄰最近的所有小立方體單元體心分別相連形成桿單元，形成多自由度格構模型；

步驟5：根據長齡期混凝土的力學性能測試和水化熱測試結果，采用混凝土長齡期水化-力學耦合公式模擬長齡期混凝土水化-力學演化過程，并作為材料特征參數代入多自由度格構模型中，形成可模擬長齡期混凝土水化-力學耦合演化過程的耦合格構模型；

所述的混凝土長齡期水化-力學耦合公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、為水化熱試驗擬合參數，可以從水化熱速率曲線中獲得，e為自然常數，ξ為混凝土在齡期t水化度，ξ_∞為混凝土最終水化度,E_a為反應活化能，R為理想氣體常數，T為混凝土的熱力學溫度，E為混凝土彈性模量，E^∞為混凝土最終彈性模量，可以從力學參數的曲線中外延得到,a和b為力學試驗擬合參數，可以從力學試驗的曲線中獲得，Age為混凝土齡期；

步驟6：根據長齡期混凝土的實際運行的力學環境和齡期情況，采用耦合格構模型進行長齡期混凝土的各齡期力學性能和開裂過程模擬；

所述的耦合格構模型，是在計算過程中，根據混凝土的養護齡期，帶入混凝土長齡期水化-力學耦合公式，獲得長齡期混凝土的彈性模量參數后，作為材料參數輸入到多自由度格構模型中，形成耦合格構模型，在計算過程中，通過對桿單元受力狀態的判斷來模擬混凝土的斷裂與損傷過程。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟4所述的混凝土隨機骨料模型，采用多面體模擬骨料進行隨機投放的形式進行模型的構建。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟4所述的混凝土隨機骨料模型構建流程為，先確定待模擬計算的長齡期混凝土尺寸，即模擬的計算域，該計算域為長方體，三邊長為A/B/C；根據長齡期混凝土配合比，在計算域內隨機投放骨料；將計算域有限元剖分為邊長x的小立方體單元，即整個計算域劃分成a×b×c個小立方體單元，其中a＝A/x，b＝B/x，c＝C/x；再根據每個多面體骨料的內部空間與小立方體單元的幾何關系，判斷每一個小立方體單元的屬性，規則為若小立方體單元的體心在多面體骨料內，則識別成骨料單元，若不在則暫不進行識別；在判斷完所有的多面體骨料的基礎上，將識別成的骨料單元向骨料外法向方向擴展一個單元的范圍，該范圍形成界面過渡區單元；整個計算域內所有的小立方體單元，除去骨料單元與界面過渡區單元外，剩下的作為砂漿基質單元，三者共同組成混凝土隨機骨料模型。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟4所述的混凝土隨機骨料模型單元尺寸分辨率為骨料單元的邊長x。

5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟4所述的待模擬孔隙尺寸的模擬范圍為從單元尺寸分辨率x到最大孔隙的直徑。