钢筋混凝土结构多尺度模型
混凝土结构中多尺度分析方法研究
混凝土结构中多尺度分析方法研究多尺度分析方法在混凝土结构研究中具有重要的意义。
混凝土作为一种常见的建筑材料，在各种工程结构中得到广泛应用。
为了确保结构的安全性和可靠性，必须深入了解混凝土材料的多尺度特性，并采用适当的分析方法。
本文将从多尺度分析方法的基本原理、研究进展以及其在混凝土结构中的应用等方面进行探讨。
一、多尺度分析方法的基本原理多尺度分析是指在不同尺度下对材料或结构进行细致的研究和分析，并将各个尺度的信息相互关联和耦合。
这一方法基于尺度效应的概念，即同一材料在不同尺度下具有不同的力学特性。
通过多尺度分析，可以更全面地认识和描述材料或结构的力学行为及其变化规律。
多尺度分析方法包括宏观尺度、中观尺度和微观尺度三个层次。
宏观尺度主要考虑结构整体的行为和响应，采用有限元分析等方法进行模拟和计算。
中观尺度关注局部细节和损伤行为，通常运用离散元法等方法进行模拟。
微观尺度考虑材料的内部结构和原子间相互作用，常常采用分子动力学模拟等方法。
二、多尺度分析方法研究进展近年来，多尺度分析方法在混凝土结构研究领域得到了广泛应用和深入发展。
研究者们通过将实验测试、数值模拟和理论分析相结合，不断提高多尺度分析方法的准确性和可靠性。
在宏观尺度上，研究者们基于有限元分析方法，对混凝土结构在不同工况下的受力性能进行了研究。
通过建立合适的本构模型和边界条件，可以对结构的应力分布、变形行为和破坏机制进行模拟和预测。
在中观尺度上，研究者们主要关注混凝土的损伤和疲劳行为。
通过离散元法等方法，可以模拟混凝土在加载过程中的裂纹扩展、局部破坏和损伤累积等行为。
这对于预测结构的寿命和耐久性具有重要意义。
在微观尺度上，研究者们关注混凝土材料的内部结构和微观特性。
通过分子动力学模拟等方法，可以揭示混凝土材料的原子间相互作用和微观力学行为。
这有助于深入理解混凝土的力学特性和性能机制。
三、多尺度分析方法在混凝土结构中的应用多尺度分析方法在混凝土结构中有着广泛的应用价值。
钢筋混凝土柱动力滞回性能两尺度数值模拟
钢筋混凝土柱动力滞回性能两尺度数值模拟许斌;王治原;陈洪兵【摘要】为提高钢筋混凝土柱在快速循环加载下的动力滞回性能数值模拟计算效率并反映局部破坏特征,对通用有限元分析程序ABAQUS进行二次开发,编写了适用于三维纤维梁单元的混凝土和钢筋本构模型程序,在实现纤维梁单元和实体单元界面连接变形协调的基础上,建立了由三维实体单元和纤维梁单元组成的两尺度有限元模型.为了比较计算精度和效率,分别建立了试件的三维纤维梁单元模型和三维实体单元模型.分别对3种模型进行往复荷载作用下考虑混凝土材料应变率效应的钢筋混凝土柱动力滞回性能数值模拟,将两尺度模型的计算结果与试验结果进行比较.结果表明:所开发的材料本构模型程序以及两尺度模型能较好地反映钢筋混凝土柱在快速循环加载下的承载能力及滞回性能;所建立的两尺度模型既可节约计算成本,又能实现钢筋混凝土柱试件关键部位的精细化分析.%In order to improve the simulation efficiency and investigate the local failure pattern of reinforced concrete (RC) column specimens under dynamic cyclic loadings, the subroutines describing the dynamic constitutive laws of concrete materials and reinforcement which were suitable for three dimensional (3D) fiber beam elements were developed in ABAQUS.Then, a two-scale finite element method (FEM) model composed of 3D fiber beam elements and 3D solid elements was established to simulate the dynamic cyclic behavior of the RC column specimens under cyclic loading.In the model, the deformation of the 3D fiber beam elements and the 3D solid elements at the interface was compatible.For comparison, two FEM models for the RC columns specimens composed of the fiber elements and solid elementssolely were developed.The simulation results from the two-scale FEM model were compared with the test results firstly.The results show that the two-scale model using the developed subroutines describing the constitutive laws can simulate the load-carrying capacity and the dynamic hysteretic performance of the RC columns under rapid cyclic loading.The two-scale model can limit computation cost and achieve fine analysis of the RC column.【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】8页(P16-23)【关键词】钢筋混凝土柱;动力滞回性能;ABAQUS二次开发;多尺度模型;数值模拟;应变率【作者】许斌;王治原;陈洪兵【作者单位】湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TU323.1进入21世纪以来，中国正经历有史以来最大规模的基础设施建设。
混凝土材料多尺度结构性能耦合模拟研究
混凝土材料多尺度结构性能耦合模拟研究一、引言混凝土是建筑工程中重要的建筑材料之一，具有良好的性能，可塑性强，抗压性能优秀，是目前建筑材料中被广泛应用的一种。
然而，在施工及使用过程中由于受外力和环境因素的作用，混凝土会产生一些结构变化和损伤，影响了其性能，严重的会导致工程质量问题。
因此，研究混凝土的结构性能耦合问题，对于混凝土材料的性能评估和研究具有重要意义。
本文将从多尺度角度来探究混凝土材料的结构性能耦合问题。
二、多尺度结构性能耦合模拟研究概述1. 多尺度模拟技术的发展与应用多尺度模拟技术是一种将分子和材料的宏观性质联系起来的方法。
多尺度模拟技术将材料的微观结构和宏观性能联系在一起，有效地揭示了材料的属性变化，并且可以预测其性能。
多尺度模拟技术已经广泛应用于材料科学、生物技术和工程领域等领域中，其中包括了分子动力学模拟、量子力学模拟和有限元模拟。
2. 混凝土材料的多尺度特性混凝土材料包含了水泥、砂石等成分，具有较为复杂的组成和结构。
其微观结构主要由水泥基体、骨料和孔隙三部分组成，而混凝土的宏观性能又与这些微观结构及其中的缺陷密切相关。
因此，混凝土材料的多尺度特性是研究混凝土性能的关键。
3. 混凝土材料多尺度模拟方法混凝土材料的多尺度模拟方法包括了原子层模拟、分子动力学模拟、有限元模拟、微结构模拟和宏观结构模拟等。
其中原子层模拟和分子动力学模拟主要研究混凝土材料的微观结构及其变化规律；有限元模拟、微结构模拟和宏观结构模拟则主要研究混凝土材料的宏观结构及其性能。
三、多尺度结构性能耦合模拟应用案例1. 混凝土材料膨胀问题的多尺度模拟混凝土材料存在着一定的收缩和膨胀性能，通常情况下这种性能都是由混凝土材料的水泥成分对水的吸力和释放造成的。
因此，研究混凝土膨胀问题是混凝土材料多尺度模拟技术的一个重要应用方向。
通过有限元模拟、微观结构模拟及原子层模拟等方法，可以有效地研究混凝土的膨胀问题及其影响。
2. 混凝土材料的破坏与断裂混凝土在受力作用下容易发生破坏和断裂。
钢筋混凝土的模型
钢筋混凝土的模型商品混凝土裂缝能和张拉应力、主要裂缝宽度的新关系，经通过考虑微裂缝强度或者商品混凝土的软化得到了发展。
线性乘幂和指数函数的数学模型已经用来描述张拉力的下降图标。
一种非线性有限单元模型已经发展，是一种使用分裂叠加的方法。
这种方法说明确定了其无知和结构范围内的模型促进了预应力商品混凝土和钢筋商品混凝土的分析。
预应力商品混凝土板和组合连续梁在弹性和非弹性的范围内在偏心荷载的作用下与裂缝能结合的模型预测，这两种结合在理论和实验结果得到了较好的吻合。
在最终的评价中，商品混凝土和金属裂缝的原因也比较过了，这两种极其不同的物质在非弹性的条件下是能够建立较好的相互作用的。
前言裂缝构造学是在裂缝周围和端部的条件下对其物质形式的一种研究。
裂缝构造学的应用也打开了组合材料模型的新领域，而在过去常常是以经验来确定模型的。
组合材料像商品混凝土是由不同材料不同形状和大小的颗粒经过复杂排列而形成的。
这些小颗粒也是相互作用的，并在微裂缝开始之前就集中起来了。
大块颗粒是由不同大小、级配、粗糙度的集合体。
在荷载的作用下对商品混凝土的影响是比较大的。
此外，集中应力普遍存在于不规则的物质基质中；这将导致微裂缝的出现，同时随着裂缝依次连续的增长这将导致结构的破坏。
商品混凝土在张力的作用下的破坏是由于最初的裂缝和裂缝在整个或部分构件中不断增长这一问题所引起的。
裂缝是可以通过物质的张力特性来控制。
在传统上，也已经采用强度参数来表示裂缝了。
尤其是商品混凝土的拉应力和压应力，这些参数用于来定位张力在主要应力空间的停止状态。
当组合体的主要应力违背了这些条件，裂缝就开始出现了。
许多破坏的标准已经由Kupfer和Hilsdorf(1969)还有Kupfer和Gerstle(1973)在这些参数的基础上得到了很大的发展。
这些研究的目的是检验在裂缝模型过程中不同参数的使用和加强裂缝的处理，就像裂缝构造学和钢筋商品混凝土的管理参数一样。
作者认为在物质的本质特性上建立裂缝方法的原理是可行的，而不是考虑不同物质的本来特性。
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究一、引言混凝土结构是目前广泛应用于建筑、桥梁、水利和交通等方面的主要材料之一。
但是，由于外部荷载、环境因素和材料自身缺陷等原因，混凝土结构在使用过程中难免会出现损伤和破坏。
因此，深入研究混凝土结构的损伤机理对于提高混凝土结构的耐久性和安全性具有重要意义。
二、多尺度分析的基本原理多尺度分析是一种将宏观与微观相结合的研究方法，通过建立多层次的模型来分析物质的性质和行为。
在混凝土结构的损伤机理研究中，多尺度分析可以将整个混凝土结构分为不同的尺度，分别进行研究，并将不同尺度之间的关系联系起来，从而全面深入地了解混凝土结构的损伤机理。
三、混凝土结构的多尺度分析1. 宏观尺度宏观尺度是指整个混凝土结构的尺度，其中包含了结构的受力、变形、裂缝扩展等方面的信息。
在宏观尺度下，可以采用有限元分析等方法，对结构的受力和变形进行模拟和分析，从而了解结构的强度和稳定性。
2. 中观尺度中观尺度是指混凝土结构中的微观缺陷和裂缝的尺度范围。
在中观尺度下，可以采用离散元分析等方法，对混凝土中的孔隙、裂缝、颗粒等进行建模和分析，从而了解混凝土的力学性能和破坏机理。
3. 微观尺度微观尺度是指混凝土内部的原子、分子和晶体等微观结构的尺度范围。
在微观尺度下，可以采用分子动力学模拟等方法，对混凝土中的化学反应、原子结构等进行研究，从而了解混凝土的微观机理和性能。
四、混凝土结构的损伤机理研究1. 宏观尺度的损伤机理研究在宏观尺度下，混凝土结构的损伤机理主要表现为受力与变形的累积和裂缝的扩展。
受力与变形的累积会导致混凝土结构的强度和稳定性下降，而裂缝的扩展则会导致结构的严重损伤和破坏。
因此，在宏观尺度下，混凝土结构的损伤机理研究主要关注受力与变形的累积和裂缝扩展的规律，以及结构的强度和稳定性的变化。
2. 中观尺度的损伤机理研究在中观尺度下，混凝土结构的损伤机理主要表现为孔隙和裂缝的形成和扩展。
孔隙和裂缝是混凝土内部的主要缺陷，它们会导致混凝土的强度和韧性下降，从而影响结构的耐久性和安全性。
基于ANSYS软件钢筋混凝土框架结构多尺度数值分析
ｌ ２层 钢 筋混凝 土框 架结构 振 动 台试 验 进 行 了 多尺度 数 值 模 拟 ， 同时 利 用 梁 单元 模 型 模 拟 来 作 对 比 分 析， 计 算 了结构 的动 力特性 与地震 动 力 时程 响应 。分析 结 果对 比显 示 ， 多尺 度模 型模 拟结果 与 梁单元模 型模拟 结 果和振 动 台试验 结果 具有较 高的吻合 度 ， 为 以后 结构 分析计 算提供 了一种 简单有 效的 手段 。
Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｂ ｙ Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ＡＮＳ ＹＳ
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钢筋混凝土结构多尺度建模与数值分析_李宏男
（ ， ） ， ， Ｆ ａ ｃ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ ２ ４， Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｕ ｌ ｔ ｇ ｇ ｙ ｙ ｇ ｇ ｙ
（ ） 文章编号 ： ２ ０ ０ ０ ３ ９ ２ ０ １ ４ ０ １ ６ ７ ０ ４ ２ ０ ２ ６ － － －
钢筋混凝土结构多尺度建模与数值分析
李宏男 ， 王大东
） （ 辽宁 大连 １ 大连理工大学 建设工程学部 ， ０ ２ ４ １ ６
摘要 ： 采用通用有限元软件 Ａ 并 Ｂ ＡＱＵ Ｓ 实现了精细单元与粗糙单元之间的界面耦合及变形协调 ， 通过算例验证了结构多尺度有限元分析方法的有效性和精 确 性 。 基 于 多 尺 度 方 法 ， 结合纤维模型 子程序与混凝土塑性损伤模型 ， 对钢筋混凝土框架结构进行多尺度建模 ， 并进行了弹塑性时程分析 及局部构件损伤分析 。 结果表明 ： 对于大型结构或复杂结构来说 ， 多尺度计算可较好地模拟局部构 件的复杂边界条件 ， 为大型工程结构进行多尺度计算提供参考 。 关键词 ： 多尺度方法 ； 有限元模型 ； 界面耦合 ； 弹塑性时程分析 ； 损伤分析 中图分类号 ： １ １． ４ １ 文献标志码 ： ＴＵ ３ Ａ
局多重网格法对结 构 进 行 裂 纹 扩 展 分 析 ， 并对一个 简单的结构进行三 维 疲 劳 裂 纹 扩 展 的 多 尺 度 分 析 ； 李兆霞等
［ ］ ６ ７ －
基于 多 点 约 束 提 出 大 跨 桥 梁 结 构 动 力
基于多尺度分析的混凝土微观损伤模型研究
基于多尺度分析的混凝土微观损伤模型研究一、研究背景混凝土是建筑、道路等基础建设行业中广泛使用的建筑材料。
然而，在使用过程中，混凝土会受到各种外力的作用，从而导致微观损伤，影响其力学性能和耐久性。
因此，研究混凝土微观损伤模型对于提高混凝土的力学性能和耐久性具有重要意义。
二、研究内容本研究基于多尺度分析方法，建立混凝土微观损伤模型，并对其进行分析和验证。
1. 多尺度分析方法多尺度分析方法是一种研究材料微观结构与力学性能之间关系的方法，它将材料结构分为多个层次，对每个层次进行分析，最终得到全局力学性能。
2. 混凝土微观结构混凝土的微观结构包括水泥胶体、骨料、孔隙和裂缝等组成部分。
其中，水泥胶体和骨料之间的相互作用对于混凝土的力学性能影响最大。
3. 混凝土微观损伤模型基于多尺度分析方法，本研究建立了混凝土微观损伤模型。
该模型将混凝土分为三个层次：宏观层次、中观层次和微观层次。
在宏观层次，采用弹塑性本构模型描述混凝土的应力应变关系；在中观层次，采用多孔介质理论分析混凝土中的孔隙和裂缝；在微观层次，采用有限元方法分析混凝土中水泥胶体和骨料之间的相互作用。
4. 模型验证为验证本研究建立的混凝土微观损伤模型的准确性，本研究进行了模型验证实验。
实验结果表明，本研究建立的混凝土微观损伤模型能够较准确地预测混凝土的力学性能和损伤演化过程。
三、研究结论本研究基于多尺度分析方法，建立了混凝土微观损伤模型，并对其进行了分析和验证。
研究结果表明，该模型能够较准确地预测混凝土的力学性能和损伤演化过程，具有一定的实用价值。
然而，该模型仍存在一些不足之处，需要进一步改进和完善。
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究一、引言混凝土是建筑工程中常用的材料，其具有良好的耐久性和承载能力，但在长期使用过程中，会受到各种因素的影响而出现损伤，影响其使用寿命和安全性。
因此，深入研究混凝土的损伤机理，对于建筑工程的安全性和可靠性具有重要意义。
本文将采用多尺度分析的方法，从微观和宏观两个层次对混凝土结构的损伤机理进行研究，旨在探究混凝土材料的损伤演化过程及其影响因素，并提出相应的预防和修复措施，以保障混凝土结构的安全性。
二、混凝土的损伤机理1. 微观层面混凝土是由水泥、砂、石子等多种材料组成的复合材料，其内部结构复杂，由许多微观组分组成，如水泥基体、石子骨料、气孔、裂隙等。
这些微观组分之间的相互作用和影响是混凝土损伤演化的基础。
（1）水泥基体的损伤水泥基体是混凝土中最主要的组分之一，其内部结构由水泥石、气孔和胶质组成。
在混凝土使用过程中，水泥基体会受到多种因素的影响而出现损伤，如水化反应不完全、干缩、冻融、化学侵蚀等。
这些因素会导致水泥基体中的气孔和裂隙增多，进而影响混凝土的强度和稳定性。
（2）石子骨料的损伤石子骨料是混凝土中的主要骨料之一，其内部结构由晶体和胶结材料组成。
在混凝土使用过程中，石子骨料会受到多种因素的影响而出现损伤，如磨耗、剥落、裂纹等。
这些因素会导致石子骨料的表面破损，进而影响混凝土的强度和稳定性。
（3）气孔和裂隙的形成混凝土中的气孔和裂隙是其内部结构中常见的组分，它们的存在直接影响混凝土的强度和耐久性。
气孔的形成是由于混凝土中的水分蒸发和释放所造成的，而裂隙的形成则是由于混凝土中的应力和变形所导致的。
这些气孔和裂隙的存在会进一步加剧混凝土的损伤程度，降低其使用寿命和安全性。
2. 宏观层面混凝土结构的损伤不仅发生在微观层面上，也会在宏观层面上表现出来。
混凝土结构的宏观损伤主要包括开裂、变形、脱落等，这些损伤会直接影响混凝土结构的承载能力和安全性。
（1）开裂的形成混凝土结构中的开裂是其损伤的主要表现形式之一。
基于格构模型的三维多尺度混凝土受拉断裂过程数值模拟
4)模型模拟了轴向受拉时水泥石、砂浆、混凝土及相应界面过渡区的裂缝发展过程和空间分布,从获取的格构模型断裂中可以看出,各模型皆经历了微小应变下无断裂开展,弹性阶段微小缺陷开始出现,受力不断增加裂缝逐渐长大,受力峰值过后裂缝迅速开展并连通的过程。特别的,对于界面过渡区模型的断裂展开都基本发生于界面处并表现出向砂浆部分扩展的趋势。
基于格构模型的三维多尺度混凝土受拉断裂过程数值模拟
离子在受损混凝土中运输性能是研究混凝土耐久性的一个关注重点问题。为了方便混凝土受损后氯离子的输运性能进行研究,利用格构模型可以同时模拟断裂和离子传输的特点,本文主要通过建立出混凝土各个尺度下的受拉断裂数值模型,分析混凝土各尺度下断裂过程中的裂缝发展情况。
主要研究内容为界面过渡区模型的建立,水泥石,砂浆和混凝土在受拉应变作用下断裂开展情况和承载力峰值研究。利用多尺度方法对水泥石与砂浆以及砂浆与粗骨料之间的界面过渡区进行了分析,得到基于本模型的受力本构,并将其引用到高阶的模型中,作为整个格构模型的主要特点来进行分析。
本文结合混凝土数值模型和三维随机格构有限元模型及随机骨料模型对混凝土受拉进行了深入探讨,主要研究内容及成果如下:1)建立不同尺度下的混凝土模型,包括:在微观尺度利用HYMOSTRUC3D构建了基于其水化模型的非均质水泥石格构模型,并从受力方向按角度进行细分的界面过渡区模型,来解决了一般混凝土模型对界面单元仅降低强度的简单处理;在细观尺度利用随机骨料模型为基础构建了引入上一尺度的界面过渡区强度的砂浆格构模型和混凝土格构模型,及加入骨料水泥石比例影响的界面过渡区模型。2)在MATLAB中编程完成随机骨料投放算法,并获取骨料占比为40-45%的球形随机骨料模型,并基于稀疏矩阵和分块矩阵来存储模型信息,完成预处理共轭梯度法算法应用于模型受力计算,构建出可以计算实现的超大型格构体系的有限元分析程序。
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C2S C3A
水化产物连接 毛细孔封堵
毛细水 物理吸附水
毛细孔 凝胶孔 C-S-H单体 C-S-H 平板
LD C-S-H 化学吸附水
C3S
Menisci的分布与演变
Ⅳ.纳观尺度 L=10-8-10-10m
凝胶孔 C-S-H平板的生长 连通孔隙(凝胶孔)迂曲度Biblioteka 受扭构件 钢筋与 混凝土界面
Ⅱ.细观尺度 L=10-2-10-4m
ITZ作为独立相（浆体与骨料 L=10-2-10传递作用力的媒介）
细骨料
3m
外部水化产物 内部水化产物 未水化矿粉颗粒 CH AFt AFm C4AF 毛细孔
水化产物层 无定形表层 未水化粉煤灰颗粒 未水化水泥颗粒 HD C-S-H
Ⅲ.微观尺度 L=10-5-10-7m
Ⅰ.宏观尺度 L=10-10-1m
粗骨料与砂浆界面 过渡区(ITZ)
压弯构件
σc σc+dσc
混 凝 土 结 构 多 尺 度 理 论 模 型
τ
粗骨料
σs
τ
σs+dσs
钢筋
弯剪构件
混凝土段
钢筋段 粗骨料 内部砼 界面水化产物层 钢筋 界面水化产物层 砼保护层
（钢筋与混凝土的粘结）
细骨料与水泥浆体 界面过渡区(ITZ)