[发明专利]一种UHPC-NC结构的细观格构模型建模方法

说明书

本发明涉及一种UHPC‑NC结构的细观格构模型建模方法，包括：根据UHPC‑NC构件尺寸特征参数以及格构细观模型特性，确定格构节点分布范围、节点自由度以及单元尺寸大小，建立格构模型的框架，其中，所述格构模型包括格构节点以及格构节点之间相互连接的格构单元；根据UHPC和NC材料所使用的各组分材料级配，确定粗骨料以及钢纤维的关键特征参数；基于随机分布算法和关键特征参数分别生成钢纤维和粗骨料的细观随机分布模型，并赋予格构单元对应的材料属性和单元属性，得到格构模型。与现有技术相比，本发明综合考虑了UHPC‑NC的两种材料的细观结构特性，能更方便、准确的对其结构进行建模。

技术领域

本发明涉及材料仿真数值分析领域，尤其是涉及一种UHPC-NC结构的细观格构模型建模方法。

背景技术

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是一种具有极高的抗拉和抗压强度的超高强度水泥基复合材料。钢纤维均匀分布在基体中，不仅增加了材料的抗拉强度，还使UHPC材料具有良好的延展性、抗疲劳性能和应变强化性质。UHPC具有优良的力学和材料性质，但是其价格是传统混凝土(Normal concrete,NC)的数十倍之多，这大大地制约其推广应用。因此，学者提出将UHPC材料应用于钢筋混凝土结构的受到复杂力学荷载或环境侵蚀的部分，也就是形成UHPC-NC组合结构，UHPC-NC结构既能够充分发挥UHPC材料和混凝土材料各自的优点，并且能够极大地降低结构的建设费用以及后期养护的费用，其经济性能和力学性能也得到了最充分的发挥。

UHPC-NC组合结构是UHPC和混凝土两种力学特性差异较大的材料进行组合，从细观角度看，UHPC材料是由基质和钢纤维组成的多相材料，其中UHPC基质是一种典型的脆性基质，当受到一定的外载荷作用时，基质内部会形成微裂纹并持续的扩展和贯穿进而形成宏观裂缝。之后，钢纤维会发挥“桥接”作用使UHPC整体显示出来更高的抗拉能力，细观破坏过程极其复杂。同样，混凝土材料在细观尺度上由骨料，砂浆基质与ITZ(InterfacialTransition Zone)构成，砂浆基质与UHPC基质相对比具有更高的孔隙率和更多的内部缺陷，更容易形成内部初始裂纹。因此，UHPC-NC结构的细观建模对于精细化研究其内部作用机理具有重要意义。

经过对现有技术的检索发现，水泥基材料的细观建模技术主要集中在混凝土骨料和钢纤维建模，以达到为数值计算提供有效参考模型的目的。在中国专利“一种混凝土骨料单元的二维随机生成方法(授权号CN 106874623 A)”中，夏普等发明了一种混凝土骨料单元的二维随机生成方法，该方法通过不断地生成不同的多边形骨料，并且计算关键形状参数与实际所需的骨料单元进行对比，最终得到特定形状的多边形骨料。在中国专利“一种基于随机有限元的纤维沥青混凝土细观行为分析方法”徐勋倩等基于拉丁超立方分层抽样法和随机生成算法，构建纤维三维随机分布模型，该方法能较快速生成纤维细观几何分布参数并建立细观数值分析模型。现有研究中目前并无直接对UHPC-NC组合结构的细观建模技术进行研究，缺少了对于UHPC-NC组合结构细观建模方法。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种UHPC-NC结构的细观格构模型建模方法，综合考虑组合结构中两种材料各自的特性对其进行建模，为精细化分析提供良好的细观模型基础。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种UHPC-NC结构的细观格构模型建模方法，包括以下步骤：

根据UHPC-NC构件尺寸特征参数以及格构细观模型特性，确定格构节点分布范围、节点自由度以及单元尺寸大小，建立格构模型的框架，其中，所述格构模型包括格构节点以及格构节点之间相互连接的格构单元，所述节点自由度作为控制格构模型节点位置随机程度的指标，通过控制格构节点的分布范围对格构模型的整体形状进行控制；

根据UHPC和NC材料所使用的各组分材料级配，确定粗骨料以及钢纤维的关键特征参数；