[发明专利]一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程领域，尤其涉及一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法。

背景技术

随着近年来国内多个300m级高拱坝的建设，大体积混凝土温度裂缝问题日益突出，大体积混凝土温度裂缝控制问题成为学界关注和讨论的焦点。在混凝土坝的施工过程中和运行期间，大体积混凝土结构中往往会由于温度的变化而产生很大的拉应力，所以在大体积混凝土结构中往往会出现裂缝。如果是表面裂缝，会对混凝土的耐久性造成损害，若发展为深层或贯穿性裂缝，会影响混凝土结构的整体性，改变结构的应力分布和受力条件，从而有可能使混凝土的局部结构甚至是整体结构发生破坏，危害很大。因此，混凝土的温度应力分析、防止裂缝的措施，是大体积混凝土结构设计与施工中十分重要的课题，研究大体积混凝土在温度荷载下的开裂机理，对大坝安全评估、科学指导大坝设计施工建设、保障工程质量安全等都有重要意义。

混凝土是由骨料、砂浆等组成的多相复合材料，其中还存在着许多天然或者人为的微裂纹。混凝土的开裂，实质是一个微裂纹的萌生、扩展、贯通、直至整体失稳的过程，是一个从细观损伤演化到宏观破裂的渐进演化诱致突变过程，因此，仅从宏观角度无法真实反映混凝土的多相复合组成和材料的非均质特性，也无法反应微裂缝的存在、扩展、延伸和贯通过程。目前，国内外学者关于温度开裂方面的研究主要是基于宏观层次上的，将混凝土看做单一均值的材料来研究，无法真实的反映混凝土的细观结构，自然也就无法得到真实的温度开裂行为。极少数学者在混凝土细观结构方面展开了研究，一般通过随机力学特性模型，考虑混凝土各相组分力学特性分布的随机性，却未能考虑骨料颗粒的形状、级配和在计算域内的随机分布，且都仅限于小尺寸混凝土试件的研究。而在大体积混凝土温度裂缝的细观开裂机理、动态扩展模拟方法方面，至今国内外还没有相关的研究成果。

发明内容

本发明的目的是提供一种大体积混凝土温度开裂数值模拟方法，该方法可准确、便捷地预测在温度荷载下，混凝土从细观损伤到开裂的过程。

本发明的一种大体积混凝土温控开裂数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，建立混凝土的实体模型，所述的实体模型由骨料和砂浆组成；

步骤二，将步骤一所得实体模型离散为一系列实体单元；

步骤三，在步骤二所得各实体单元之间插入有厚度界面单元以形成混凝土细观模型；

步骤四，模拟混凝土的温度场；

步骤五，采用连续-离散耦合方法模拟混凝土模型在步骤四的温度场下的细观开裂过程。

所述步骤一中实体模型的骨料采用如下方法生成：

首先根据骨料的颗粒级配曲线将骨料的粒径分为若干个粒径区间，然后针对各个粒径区间逐一构建骨料颗粒直至骨料颗粒含量满足颗粒级配曲线的级配要求，上述针对各粒径区间构建骨料颗粒依次包括以下子步骤：

1)根据粒径区间的上下限随机生成一个椭圆，所生成的椭圆的半轴a、b分别为：a＝r₁+(r₂-r₁)rand1，b＝r₁+(r₂-r₁)rand2，其中：r₁为粒径区间的下限；r₂为粒径区间的上限；rand1、rand2为区间[0，1]内均匀分布的独立随机数；

2)在步骤1所得椭圆上随机布顶点，并将各顶点顺次连接形成凸多边形，所得凸多边形即为一个骨料颗粒M_j，其中，j为骨料颗粒的编号，其初始值为1；

3)判断所生成骨料颗粒的数量m，若m为1，则将j加1后，循环执行步骤1)；否则，执行步骤4)；

4)将骨料颗粒M_j与之前生成的所有骨料颗粒逐一进行是否相交判断，只要骨料颗粒M_j与任一骨料颗粒存在相交，则删除骨料颗粒M_j，然后循环执行步骤1；否则，将j加1后再循环执行步骤1)。