基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟_张龙飞.pdf

材料导报 Materials Reports ISSN 1005-023X,CN 50-1078/TB 材料导报网络首发论文材料导报网络首发论文 题目：基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟 作者：张龙飞，谢浩，冯吉利，陈燕伟 网络首发日期：2023-02-07 引用格式：张龙飞，谢浩，冯吉利，陈燕伟基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟J/OL材料导报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。材料导报,2023,37(10):21080155 DOI:10.11896/cldb.21080155 http:/www.mater- 基金项目：国家重点研发计划项目（No.2016YFC0600901）；国家自然科学基金项目（No.41172116，No.U1261212）；深部岩土力学与地下工程国家重点实验室（北京）创新基金项目（No.SKLGDUEK202220）This work was financially supported by the State Key Research Development Program of China(No.2016YFC0600901),the National Natural Science Foundation of China(No.41172116,No.U1261212)and the Innovation Fund Research Project of State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering(Beijing)(No.SKLGDUEK202220).基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟 张龙飞1，谢浩2,3，冯吉利1，陈燕伟1（1 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2 济南轨道交通集团有限公司，山东 济南，250014；3 山东大学齐鲁交通学院，山东 济南，250002）基于激光扫描技术获取真实骨料三维形状，进而构建骨料库，基于“点阵”思想提出了一种新的随机骨料投放算法，借助 MATLAB 编制了构建三维混凝土细观几何模型的骨料投放程序，所构建的细观模型能够反映混凝土内骨料真实形态、空间分布和级配等细观特征，对三维几何模型进行剖切，即可获得二维平面几何模型，对骨料含量分别为 40%的卵石混凝土和骨料含量为 30%、40%、50%的砾石混凝土典型切面内骨料的粗糙度、圆度和长细比分布特征进行统计分析。利用 Python 编写接口程序将上述二维切面几何信息导入到 ABAQUS 中进行网格划分，即可获得混凝土二维细观有限元模型，结合室内实验，基于内聚力模型的连续-非连续数值计算方法研究了不同骨料类型和骨料含量对混凝土单轴压缩破坏的影响规律。此外，该方法还可作为土石混合料、砾岩等具有随机分布特征的复合材料建模和力学性态研究的有效工具。关键词：关键词：激光扫描；骨料；混凝土细观模型；骨料投放算法；内聚力模型 通信作者：通信作者：冯吉利， 中图分类号：中图分类号：TU528 文献标志码：文献标志码：A 引用格式：引用格式：张龙飞，谢浩，冯吉利，陈燕伟.基于真实骨料的细观混凝土建模及数值模拟 J.材料导报,2023,37(10):21080155.Meso-concrete Modeling and Numerical Simulation Based on Actual Aggregates ZHANG Longfei 1,XIE Hao 2,3,FENG Jili 1,CHEN Yanwei 1(1 State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing)Beijing 100083,China;2 Jinan Rail Transit Group Co.,Ltd.,Jinan 250014,China;3 School of Qilu Transportation,Shandong University,Jinan 250002,China;)The geometry information of actual aggregates can be obtained by laser scanner to build an aggregate library.Then based on the idea of“dot matrix”a new random aggregate placement algorithm is proposed,so that a 3D mesoscopic concrete model can be generated,which can truly reflect the shape,distribution and gradation of aggregates in concrete.Simplified 2D plane geometry model was conveniently obtained by cutting the 3D geometry model.The sections of pebble concrete with aggregate content of 40%and gravel concrete with aggregate content of 30%,40%and 50%were made,and the roughness,roundness and elongation ratio of the aggregates in the sections were statistically analyzed.A script was written using Python to import 2D plane geometry information into ABAQUS for meshing.And a 2D finite element model of meso-concrete can be obtained.Combined with the laboratory experiments,the influence of aggregate type and aggregate content on the failure mechanism of concrete was studied by the finite element method with the cohesive zone model,under uniaxial compressions.Moreover,this method is also effective to study the mesoscopic model of materials with random distribution characteristics such as soil-rock mixtures and conglomerates.Keywords:Laser scanning;Aggregate;Mesoscale concrete model;Aggregate placement algorithm;Cohesive zone model Correspondence:Feng Jili, 0 引言引言 在细观层次上通常认为混凝土是由骨料、砂浆以及二者之间的界面结构组成的三相复合材料，其内部网络首发时间：2023-02-07 17:01:25网络首发地址：https:/ DOI:10.11896/cldb.21080155 http:/www.mater- 各相组分随机分布且性质差异较大，混凝土在细观层次的随机性直接影响宏观结构的动力灾变行为1,2。因此，分析混凝土复杂非线性力学行为时需要充分考虑混凝土内部高度不均一的细观结构特征。目前围绕混凝土细观断裂行为的研究，学者们已经做了很多工作。如Schlangen和Van Mier3运用格子模型（Lattice model,LM）来模拟细观混凝土的断裂问题，其基本思想是采用离散的梁单元构成的等效框架来代表连续介质，采用网格映射法区分骨料、砂浆和界面过渡区，并分别赋予相应的属性，当梁单元达到破坏标准后随即从模型中移除，以此来模拟试件内部裂纹的萌生和扩展。Zhou等4，Huang等5基于有限元方法，采用混凝土损伤模型（Concrete damage model,CDP）模拟分析细观层次上混凝土试件单轴压缩和单轴拉伸下的裂纹扩展演化规律和力学响应特征。此外，Ren等6基于内聚力模型（Cohesive zone model,CZM）的连续-非连续数值方法，模拟了二维细观混凝土单轴拉伸下的裂纹扩展演化规律并进一步探讨了单元参数对混凝土试件抗拉强度和裂缝形态的影响规律；熊学玉和肖启晟7基于内聚力模型，采用统一的数值方法进一步模拟混凝土受压和受拉的细观损伤破坏行为。由于内聚力模型兼具连续和非连续数值计算方法的优势，在模拟多裂纹扩展的问题上具有显著优势7，因此广泛应用于混凝土细观力学研究。骨料作为混凝土的重要组成部分，其粒径大小、级配、形状和空间分布直接影响混凝土试件的宏观力学特征7-9。随着无损检测和计算机图像处理技术的发展，一部分学者基于X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography，X-CT）技术获取试件内部每层细观结构灰度图，进而运用图像处理技术（如：Avzio、MIMICS等软件）重构混凝土细观结构5,10-14。该方法虽然能够真实反映混凝土内部细观结构特征，但是需要经过试件浇筑、试件养护、X-CT扫描和模型重构等步骤，成本较高且耗时较长，而混凝土细观力学研究通常需要较多样本，因此该方法仍有一定的局限性15。另外一部分学者采用参数化建模方法，将骨料简化为圆形或者球体16,17，基于随机骨料投放算法构建混凝土细观模型，为了进一步表征骨料的棱角特征，马怀发等18-20，Qin等21，杨贞军等22将骨料用随机生成的凸多边形或者凸多面体来表征，虽然能够反映骨料的随多样性和棱角性等特征，但是与真实骨料形状仍然存在较大差异。近年来Zhou等4借助激光扫描技术获取单个骨料三维形状，通过切割获得真实骨料切面，采用真实骨料切面形状构建混凝土二维细观模型。谢浩等23,24运用激光