混凝土细观损伤力学数值方法优化

混凝土细观损伤力学数值方法，也称混凝土细观力学方法，考虑大坝混凝土级配及各相介质的不均质性，基于混凝土材料的基础试验资料，在各种工况下对其进行数值模拟，分析探讨其内部破坏过程和机理，力求建立混凝土细微观结构各种缺陷及其特性与其宏观力学特性的关系。

混凝土细观力学方法将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥胶体以及两者之间的黏结带/界面组成的三相非均质复合材料。选择适当的混凝土细观结构模型，在细观层次上划分单元。考虑骨料单元、固化水泥砂浆单元及界面单元材料力学特性的不同，以较为简单的破坏准则或损伤模型反映单元刚度的退化，利用数值方法模拟混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映出试件的损伤断裂破坏机理。

混凝土细观力学的研究需要将试验、理论分析和数值计算三方面相结合。试验观测结果提供了细观力学的实物物性数据和检验判断标准；理论研究总结出细观力学的基本原理和理论模型；数值模拟是细观力学不可缺少的有效研究手段。人们可以在细观层次上采用合理的各相介质本构关系，借助于计算机的强大运算能力，对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟，这样能够避开试验机特性对于试验结果的影响。数值模拟可直观地再现混凝土细观结构损伤和破坏过程。

混凝土力学试验是研究其断裂过程和宏观力学性能的基本手段。但是，由于试验条件的限制，试验结果往往不能反映试件的材料特性，而只能反映整个试件—加载系统的结构特性。细观力学数值模拟，在计算模型足够合理，同时混凝土各相材料特性数据足够精确的条件下，可以取代部分试验，而且能够避开试验条件的客观限制和人为因素对其结果的影响。(www.xing528.com)

另外，混凝土细观力学方法为混凝土抗裂性能和耐久性能的研究提供了新的途径。混凝土损伤力学研究方法通过引进损伤变量作为内部变量把细观结构变化表征为其宏观力学特性的改变。混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化，结构性能逐渐劣化，出现损伤甚至损坏。在这个过程中，混凝土受到化学侵蚀、碱骨料反应以及冻融循环等物理作用。不论何种非力学破坏因素，都可归结为非力学作用引起的混凝土内部微裂缝的产生和扩展导致的混凝土基体的破坏，直至发展到混凝土结构的破坏。无论怎样，混凝土耐久性劣化必然是由相应的破坏应力引起，所以可以用力学方法对非力学因素引起的混凝土损伤劣化进行研究。混凝土微裂缝的产生、扩展是一个典型的损伤发育和演化过程。因此，以现代材料测试手段为基础，通过试验测量及理论分析，获得在非力学破坏因素作用下混凝土细观结构的状态改变量及相对应的宏观性能指标的变化量，结合损伤力学理论，探讨分析混凝土耐久性衰减过程及其影响因素，也是混凝土细观力学发展的新领域。

早在20世纪七八十年代，Zaitsev和Wittmann就把混凝土看作非均质复合材料，在细观层次上分析研究了混凝土的结构与力学特性和裂缝扩展过程。随着计算技术的发展，在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。近十几年来，基于混凝土的细观结构，人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型。最典型的细观数值模型有格构模型（Lattice Model）（Schlangen et al.，1997）、随机粒子模型（Random Particle Model）（Bažant et al.，1990）、Mohamed等提出的细观模型（Mohamed et al.，1999）、随机骨料模型（Random Aggregate Model，RAM）（Walraven，1991）、随机力学特性模型（Random Paramater Model，RPM）（唐春安等，2003）以及作者提出的随机骨料随机参数模型（Random Aggregate Random Parameter Model，RARPM）（马怀发等，2005）等。这些细观模型各具优缺点。