不同混凝土细观模型数值试验对比分析

11.7.2.1　全级配混凝土试件弯拉破坏计算分析

全级配混凝土试件尺寸（DL/T 5150—2001）为450mm×450mm×1700mm，如图11.16所示，细观剖分取跨中宽度为450mm的区域，其余部分单元取宏观均质全级配混凝土力学特性参数。在随机骨料模型中，特大骨料3颗，粒径为120mm；大骨料12颗，粒径为60mm；中骨料37颗，粒径为30mm；小骨料167颗，粒径为15mm。两种骨料模型的细观剖分，如图11.17所示，两种模型骨料级配及截面积相同。静载步长取0.25k N，冲击荷载加载速率为1000k N/s，动力计算时间步长仍取0.001s，试件按三分点加载方式加载，分别进行静载破坏试验和动载破坏试验，考虑预静载对动强度的影响，先加静载至静极限荷载的20%、40%、60%和80%再加冲击荷载，进行联合加载数值试验分析。

图11.16　全级配混凝土试件细观模型（单位：mm）

图11.17　全级配混凝土骨料颗粒分布及单元剖分

（a）圆形骨料；（b）圆形骨料细观网格；（c）凸多边形骨料；（d）凸多边形骨料网格

图11.18　全级配混凝土两种细观骨料模型计算结果比较

（a）弯拉强度；（b）动弯拉强度增强系数

图11.18（a）给出了静动综合强度随预静载水平的变化曲线。与湿筛试件的计算结果不同：由圆骨料模型得到的静极限强度（fst）为2.38MPa，由多边形骨料模型得到的静极限强度（fst）为2.23MPa。图11.18（b）为动弯拉强度增强系数（静动综合弯拉强度与静弯拉强度之比：fdt/fst）随预静载水平变化的关系曲线。由于界面单元增多，多边形骨料边角的应力集中效应比圆形骨料显著，因此，多边形骨料模型计算得到的弯拉强度低于圆形骨料。

11.7.2.2　湿筛混凝土试件弯拉破坏计算分析

1.二维随机骨料模型

图11.19　湿筛混凝土细观有限单元模型（单位：mm）(www.xing528.com)

湿筛混凝土试件尺寸为150mm×150mm×550mm，按三分点加载，随机骨料模型的细观剖分如图11.19所示。先加一定静载后再加冲击荷载进行联合加载试验分析，其中，静载步长取0.1k N，冲击荷载加载速率取150k N/s，时间步长取0.001s，其他参数按表11.4取值。计算结果如图11.20所示。

图11.20（a）为静动综合强度随预静载水平的变化曲线；图11.20（b）为动弯拉强度增强系数随预静载水平变化的关系曲线。由圆骨料模型和多边形骨料模型得到的静极限强度为2.71MPa，但是动弯拉强度及静动综合强度略有差异。

图11.20　湿筛混凝土两种细观骨料模型计算结果比较

（a）弯拉强度；（b）动弯拉强度增强系数

2.三维随机骨料模型

跨中150mm，分别采用随机球骨料模型和随机凸多面体骨料模型，其他部位按宏观混凝土材料处理。二级配骨料中小石∶中石为55%∶45%。并按照粗骨料所占混凝土的重量比例确定各种骨料的颗粒数。在跨中150mm×150mm×150mm立方体内，粒径30mm中骨料45颗，粒径15mm小骨料438颗，粗骨料重量比例约为47%，如图11.21所示。空间网格剖分如图11.22所示，共有76810个结点，111988个单元。混凝土细观各相组分材料力学特性参数及加载步长取值同二维模型。

图11.21　三维随机骨料模型

（a）球骨料模型；（b）凸多面体骨料模型

计算得到的应力—位移曲线如图11.23所示。由图看出，由球骨料模型和凸多面体骨料模型算出的极限弯拉应力比较接近。静弯拉强度约为2.70MPa，动弯拉强度约为3.10MPa，采用两种骨料模型得到的相应静载或动载作用下的应力—位移曲线基本重合。

图11.22　空间网格剖分

图11.23　应力—位移曲线