随机骨料模型（RAM）的优化与应用

二维随机骨料模型（RAM）最早是基于瓦拉文（Walraven，1991）公式在二维试件剖面区域内实现的简化模型。它将混凝土看作由骨料、硬化水泥胶体以及两者之间的黏结带组成的三相非均质复合材料，按照相应的混凝土骨料级配确定等效圆形骨料颗粒数，用蒙特卡罗方法（Monte Carlo Method）在试件内随机生成骨料分布模型。将有限元网格投影到该骨料结构上，根据骨料在网格中的位置判定单元类型，包括骨料单元、固化水泥砂浆单元及界面单元，并依据单元类型赋予相应的材料特性，如图5.4所示。由于各相材料的弹性常数、强度不同，以及破坏单元刚度的变化，使得混凝土试件所受荷载与变形之间的关系表现为非线性。用有限元方法计算模拟混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映试件的损伤断裂破坏机理。

图5.4　随机骨料模型及单元属性定义(www.xing528.com)

近10年来，我国许多学者利用该模型作了许多开拓性的工作。王宝庭（1997）基于随机骨料模型模拟了单轴抗拉、抗压的各种本构行为；计算了双轴下的强度及劈裂破坏过程，并引入了断裂力学的强度准则，模拟了各种受力状态下的裂纹扩展。黎保琨等（2001）对碾压混凝土细观损伤断裂进行了研究，模拟了碾压混凝土静力特性及试件尺寸效应。以上研究基于瓦拉文公式所确定的圆形骨料模型都假定骨料颗粒为球形。为了尽可能模拟实际骨料的形态，高政国、刘光廷等（1996、2003）先后研究了二维混凝土凸多边形和凸多面体随机骨料的投放算法，在此基础上形成混凝土凸多边形和混凝土凸多面体随机骨料模型，并用该模型数值模拟了混凝土材料的断裂。杜成斌等（2006）提出了一种生成任意凸多边形随机骨料的方法，并对三级配混凝土静、动载下的细观破坏机制进行了研究。

作者（马怀发等，2006）基于圆（球）形骨料模型，利用圆（球）形骨料所构造的多边形（多面体）骨料基架向外延凸，生成了与圆（球）形骨料面积相同的多边形（多面体）随机骨料模型。所提出的算法生成的凸多边形（多面体）骨料模型既反映了骨料的实际形态又能保持骨料的实际级配和含量不变。

三维随机骨料模型按照实际级配的粗骨料粒径，和小石、中石、大石及特大石比例，以及粗骨料所占混凝土的重量比例确定各种骨料的颗粒数，然后在混凝土试件空间内用蒙特卡罗方法随机地确定骨料的位置。关于骨料的投放策略、骨料形态构造以及细观单元的剖分方法将在第6章和第7章中详细讨论。