[发明专利]一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法

说明书

本发明公开一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，包括下述步骤：步骤1，分别建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型；步骤2，将带肋钢筋与混凝土的粘结界面定义为钢筋平滑表面与混凝土接触面以及钢筋肋部与混凝土接触面两部分，其中，钢筋平滑表面与混凝土接触面采用粘结单元连接，钢筋肋部与混凝土接触面采用接触对连接，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接，形成钢筋混凝土构件的整体模型。本方法采用粘结单元与接触对在钢筋与混凝土不同接触面协同工作的方式对不同类型的钢筋混凝土粘结界面作用力进行了模拟，获得的钢筋混凝土整体模型非常适合于模拟分析钢筋混凝土拉拔破坏过程。

技术领域

本发明公开一种建模方法，具体涉及一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，属于混凝土材料力学性能仿真模拟领域。

背景技术

钢筋混凝土是工程中常用的构件形式，钢筋和混凝土之间粘结力的减弱丧失会对结构安全造成严重威胁。目前，钢筋混凝土界面间粘结滑移的数模模拟主要有两类方法：第一类是对钢筋混凝土界面采用接触分析，对变形钢筋横肋一般进行简化建模，在其与混凝土之间引入接触单元，并定义接触的摩擦系数，但该模型所引用的摩擦系数与肋高均为经验值，带有很大的主观随意性；第二类模型是在钢筋和混凝土之间插入粘结单元，相比于第一类方法，该模型的传力路径比较清晰且计算容易收敛，但由于接触界面简化为了节点之同的粘结单元，故界面附近的混凝土应力会与实际值有所偏差，且由于钢筋被简化为了杆单元，其无法承受剪切力作用。

发明内容

发明目的：针对现有钢筋混凝土界面数值模拟方法中的缺陷，本发明提供一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，该方法采用接触对与粘结单元协同建模以模拟钢筋混凝土界面的粘结性能，从而可充分模拟分析钢筋混凝土劈裂破坏的细观机理。

技术方案：本发明所述的一种钢筋混凝土细观三维模型建模方法，包括如下步骤：

步骤1，分别建立混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型；

步骤2，将带肋钢筋与混凝土的粘结界面定义为钢筋平滑表面与混凝土接触面以及钢筋肋部与混凝土接触面两部分，其中，钢筋平滑表面与混凝土接触面采用粘结单元连接，钢筋肋部与混凝土接触面采用接触对连接，通过粘结单元和接触对将混凝土的空间多相细观模型和带肋钢筋模型连接形成钢筋混凝土细观三维模型。

钢筋平滑表面与混凝土接触面为沿钢筋纵向的与混凝土接触的表面，主要承受化学粘结力与摩擦力作用，在该接触面设置粘结单元作为过渡单元，模拟钢筋与混凝土之间的相互作用，把钢混之间的化学粘结力及摩擦力等效为了各个方向上的弹簧作用，作用力的变化规律符合拉伸——张开法则，弹簧位移即钢筋和混凝土之间的相对位移。钢筋肋部与混凝土之间的接触面为垂直于钢筋纵向的与混凝土接触的表面，主要承受机械咬合力，在该接触面设置接触对来表现机械咬合力的作用。

步骤1中，混凝土的空间多相细观模型为包含骨料、砂浆体以及骨料-砂浆界面过渡区(简称“ITZ区”)三个部分的混凝土细观模型，其建立方法为：

步骤11，确定混凝土细观模型尺寸和球形骨料的投放区域范围；

步骤12，随机生成分散的骨料空间位置及半径参数，再据此推算出各个骨料球体对应的内、外过渡区及ITZ区域球体半径参数，绘制出骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件及ITZ内部网格过渡区部件；

步骤13，按骨料投放区生成砂浆部件的原始区域，切除砂浆部件中预留给钢筋部分的区域，并挖去ITZ外围网格过渡区部件、得到砂浆部件；

步骤14，将骨料核心部分、ITZ区域部件、ITZ外围网格过渡区部件、ITZ内部网格过渡区部件及砂浆部件五个部分按对应的空间位置进行组合，得到混凝土空间多相细观模型。

上述步骤12中，在骨料投放区域范围内随机生成各个骨料位置及半径后，判断各个骨料之间及骨料与投放区域边界是否相离；避免骨料重叠。