带裂缝服役混凝土结构力学性能的多尺度模拟方法

为了研究既有裂缝及其扩展对服役混凝土结构力学性能的影响,建立了以随机骨料和黏结单元为基础的细观结构黏聚区模型,并进一步建立了带裂缝混凝土梁的一致多尺度等效模型。在开裂区域引入符合牵引分离准则的黏结单元来考虑裂缝的随机扩展,通过随机骨料投放来模拟骨料、砂浆等混凝土的细观结构组成。采用已有试验结果对细观结构黏聚区模型进行了验证,该方法能够模拟混凝土裂缝的随机扩展及其应力-应变全过程曲线。然后,对不同裂缝深度的混凝土试件进行单轴拉伸试验的数值模拟,采用一致多尺度模型对不同裂缝深度的混凝土梁进行模拟,并对其计算效率和精度进行了比较。结果表明:对于初设裂缝深度小于0. 3h(h为混凝土试件高度),试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响很小,而当初设裂缝深度大于0. 3h时,试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响明显;随着初设裂缝深度的增加,混凝土的抗拉强度和弹性模量以及混凝土梁的抗弯刚度、受弯承载力逐渐减小;在不同区域采用不同控制尺度建立的一致多尺度细观结构等效模型能够模拟混凝土梁的裂缝及其随机扩展,并且能在不显著影响其计算效率的情况下保证其计算精度。