[发明专利]一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，包括：基于随机骨料算法和孔隙测试数据的长龄期混凝土多自由度三维格构模型的构建；根据长龄期混凝土的水泥浆体水化试验和长龄期混凝土力学试验建立长龄期混凝土水化‑力学耦合模型；采用耦合格构模型，针对长龄期混凝土进行数值模拟实验，并得到长龄期混凝土在长期应力状态下的力学性能。本发明通过对长龄期混凝土进行基于耦合格构模型的数值模拟，可以快速、有效的模拟和预测长龄期混凝土的力学性能演化和开裂过程。

技术领域

本发明属于混凝土数值仿真模拟研究的技术领域，具体涉及一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法。

背景技术

长龄期混凝土在水利工程中是一种重要的材料，被广泛用于混凝土重力坝和拱坝，不同于常态混凝土设计龄期为28天，长龄期混凝土通常可达90天到180天，由于其水泥水化过程较为缓慢，故其强度增长也是缓慢的，在这样的长龄期条件下，长龄期混凝土结构容易在长期荷载条件下，因为长龄期强度增长缓慢等原因导致开裂。而混凝土作为非均质材料，其中的孔隙，微裂纹等结构弱相也会大大削弱混凝土的强度与承载力。通常，在长期持荷载状态下，孔洞会联通，产生微小裂纹，这些裂纹严重危害着混凝土坝的健康状态，缩短其服役年限，因此在模拟过程中，需要考虑混凝土水化-力学性能演化和混凝土细微结构的共同影响。近年来，随着数值模拟手段的发展，将混凝土中水泥基材料的水化特性与混凝土力学演变性能结合起来的耦合模型受到广泛关注，但由于一般的模型存在自由度高的问题，且受限于计算机性能的限制，基本上局限于二维，对三维数值试样的水化-力学耦合性能演化高效快速模拟一直是个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，该方法可以高效快速地模拟长龄期混凝土在长龄期水化过程中各个龄期的力学性能和开裂过程。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：根据待模拟长龄期混凝土的水泥基底材料的配合比，进行水泥浆体的水化热试验，获取水泥基底材料的水化曲线，并建立水化度与龄期之间的关系；

步骤2：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，配制浇筑形成实验室尺寸的混凝土试件；按照标准程序养护，并对不同养护龄期的混凝土试件进行力学性能测试，获取相对较早龄期(如7天/28天)的长龄期混凝土的力学参数；

步骤3：将进行过力学性能测试后破坏的混凝土碎屑收集起来，进行混凝土孔隙分布测试，以获得混凝土内部的孔隙特征分布；

步骤4：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，建立混凝土随机骨料模型，该骨料模型由骨料单元、界面过渡区单元和砂浆单元组成；然后根据步骤3测得的混凝土的孔隙分布，参照混凝土随机骨料模型的单元尺寸分辨率，确定待模拟孔隙尺寸的模拟范围；然后在混凝土随机骨料模型的基础上，建立考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，并将其转化为多自由度格构模型；

步骤5：根据长龄期混凝土的力学性能测试和水化热测试结果，采用混凝土长龄期水化-力学耦合公式模拟长龄期混凝土水化-力学演化过程，并作为材料特征参数代入多自由度格构模型中，形成可模拟长龄期混凝土水化-力学耦合演化过程的耦合格构模型；

步骤6：根据长龄期混凝土的实际运行的力学环境和龄期情况，采用耦合格构模型进行长龄期混凝土的各龄期力学性能和开裂过程模拟。

进一步地，步骤4还包括如下步骤：

步骤4-1，确定待模拟计算的长龄期混凝土尺寸，整个模拟的计算域为长方体，边长分别为A/B/C；