[发明专利]一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法

权利要求书

1.一种基于耦合格构模型的长龄期混凝土开裂模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据待模拟长龄期混凝土的水泥基底材料的配合比，进行水泥浆体的水化热试验，获取水泥基底材料的水化曲线，并建立水化度与龄期之间的关系；

步骤2：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，配制浇筑形成实验室尺寸的混凝土试件；按照标准程序养护，并对不同养护龄期的混凝土试件进行力学性能测试，获取不同龄期的混凝土的力学参数；

步骤3：将进行力学性能测试后破坏的混凝土碎屑收集起来，进行混凝土孔隙分布测试，以获得混凝土内部的孔隙特征分布；

步骤4：根据待模拟长龄期混凝土的配合比，建立混凝土随机骨料模型，该骨料模型由骨料单元、界面过渡区单元和砂浆基质单元组成；然后根据步骤3测得的混凝土的孔隙分布，参照混凝土随机骨料模型的单元尺寸分辨率，确定待模拟孔隙尺寸的模拟范围；然后在混凝土随机骨料模型的基础上，建立考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，并将其转化为多自由度格构模型；

所述的考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型，其建立方法为，按照待模拟孔隙尺寸的模拟范围，在砂浆基质单元和界面过渡区单元中，删除部分单元作为孔隙；

所述的多自由度格构模型，是将考虑孔隙分布的混凝土随机骨料模型的每一个小立方体单元，提取其体心和单元顶点坐标，按照小立方体单元12条棱形成12根杆单元，8个节点与体心连接形成8个杆单元，体心与相邻最近的所有小立方体单元体心分别相连形成杆单元，形成多自由度格构模型；

步骤5：根据长龄期混凝土的力学性能测试和水化热测试结果，采用混凝土长龄期水化-力学耦合公式模拟长龄期混凝土水化-力学演化过程，并作为材料特征参数代入多自由度格构模型中，形成可模拟长龄期混凝土水化-力学耦合演化过程的耦合格构模型；

所述的混凝土长龄期水化-力学耦合公式为：

式中，β₁、β₂、β₃、为水化热试验拟合参数，可以从水化热速率曲线中获得，e为自然常数，ξ为混凝土在龄期t水化度，ξ_∞为混凝土最终水化度,E_a为反应活化能，R为理想气体常数，T为混凝土的热力学温度，E为混凝土弹性模量，E^∞为混凝土最终弹性模量，可以从力学参数的曲线中外延得到,a和b为力学试验拟合参数，可以从力学试验的曲线中获得，Age为混凝土龄期；

步骤6：根据长龄期混凝土的实际运行的力学环境和龄期情况，采用耦合格构模型进行长龄期混凝土的各龄期力学性能和开裂过程模拟；

所述的耦合格构模型，是在计算过程中，根据混凝土的养护龄期，带入混凝土长龄期水化-力学耦合公式，获得长龄期混凝土的弹性模量参数后，作为材料参数输入到多自由度格构模型中，形成耦合格构模型，在计算过程中，通过对杆单元受力状态的判断来模拟混凝土的断裂与损伤过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的混凝土随机骨料模型，采用多面体模拟骨料进行随机投放的形式进行模型的构建。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的混凝土随机骨料模型构建流程为，先确定待模拟计算的长龄期混凝土尺寸，即模拟的计算域，该计算域为长方体，三边长为A/B/C；根据长龄期混凝土配合比，在计算域内随机投放骨料；将计算域有限元剖分为边长x的小立方体单元，即整个计算域划分成a×b×c个小立方体单元，其中a＝A/x，b＝B/x，c＝C/x；再根据每个多面体骨料的内部空间与小立方体单元的几何关系，判断每一个小立方体单元的属性，规则为若小立方体单元的体心在多面体骨料内，则识别成骨料单元，若不在则暂不进行识别；在判断完所有的多面体骨料的基础上，将识别成的骨料单元向骨料外法向方向扩展一个单元的范围，该范围形成界面过渡区单元；整个计算域内所有的小立方体单元，除去骨料单元与界面过渡区单元外，剩下的作为砂浆基质单元，三者共同组成混凝土随机骨料模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的混凝土随机骨料模型单元尺寸分辨率为骨料单元的边长x。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述的待模拟孔隙尺寸的模拟范围为从单元尺寸分辨率x到最大孔隙的直径。