细观力学混凝土破坏
混凝土细观力学研究进展综述共3篇
混凝土细观力学研究进展综述共3篇混凝土细观力学研究进展综述1混凝土作为一种重要的基础建材，其力学性能的研究一直是混凝土材料科学领域的重要研究内容。
近年来，随着人们对工程结构安全性的要求越来越高，混凝土细观力学研究在材料科学领域变得越来越重要。
混凝土细观力学研究的基本思路是将混凝土看成是由一系列的微观单元构成的，通过对这些微观单元的力学响应进行分析、研究和计算，以揭示混凝土的力学性能。
混凝土的微观单元主要包括水泥石、骨料、孔隙等，因为这些单元的形态、大小和分布等因素会影响混凝土的宏观力学性能。
混凝土细观力学研究的核心问题之一是混凝土的力学损伤与破坏。
在混凝土中，由于微观单元之间的相互作用和外部加载作用等因素，混凝土可能发生微裂纹、裂缝扩展、局部破坏等过程，这些过程将直接影响混凝土的宏观力学性能。
因此，深入研究混凝土力学损伤与破坏机理，对于深入理解混凝土的力学性能、提高混凝土的力学性能具有重要意义。
近年来，混凝土细观力学研究在许多方面取得了重要进展。
首先是在混凝土力学损伤与破坏机理的研究上，在微观单元尺度上，人们通过数值模拟、实验研究等手段，发现混凝土的破坏过程是由微裂纹、裂缝扩展到宏观破坏的连续过程，其中裂缝扩展是破坏过程中最主要的损伤形式。
其次，在混凝土本构关系的研究上，人们根据微观单元的力学响应，通过多尺度分析方法建立了混凝土的本构关系，这对于混凝土宏观力学性能的计算和分析具有重要意义。
此外，混凝土的疲劳损伤与寿命研究、混凝土在高温下的性能等也是混凝土细观力学研究领域中重要的研究方向。
总的来说，混凝土细观力学研究在深入理解混凝土力学性能、提高混凝土工程结构安全等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
未来，混凝土细观力学研究领域需要继续深化相关理论和数值模拟技术，探究混凝土的力学性能与微观单元结构的关系，为混凝土工程结构的优化设计和施工提供更加精准的理论基础。
混凝土细观力学研究进展综述2随着现代科技和工程实践的发展，混凝土作为一种最基础的建筑材料，已经被广泛应用于建筑结构和基础工程中。
基于细观力学的混凝土数值模拟研究进展(二)
Ｃ ｎ ｒｔ［ ］ Ｅｓｖ ｒ ｃ ｎｅＰ ｂｉ ｅｓ １８ ． ｏ ｃｅｅ Ｃ ． ｌ ｉ ｉ ｃ ｕ ｌｈｒ，９ ９ ｅｅＳ ｅ ｓ
析带来了极大 困难。因此 ， 大规模数值计算 的高效
算法设计 、 具有细观力学特色 的数值方法研究及各 类细观力学应用软件 的开发 ， 又为人们提出了一个
新 的研究 方 向 。
料组成 ） 或三相 （ 基质 、 骨料及其过渡层 ） 复合材料 ，
对于不同相 中的单元赋以不同的力学参数 ， 以此来 体 现混 凝 土试样 细 观力 学性 质 的非均 匀性 。模 型一 般借助于有限元等数值方法进行数值试样的应力分
［ ］王祥林 ， ２ 卢东 红 ， 王力平． 泥石的动态性能研究 ［ ］ 哈 水 Ｊ． 尔滨建筑大学学报 ，９５ ２ （ ）７—１． １９ ，８ ５ ： １ ［ ］黄克智 ， ３ 徐秉 业． 固体力 学发展趋 势 ［ ． Ｍ］ 北京 ： 北京 理
工大学 出版社 ，９５ １９ ．
料特性 ， 还需要从宏 、 细观相结合 的角度深入研究。
析， 为了使 数值 模 型具有 通用 性 ， 在模 型 中也没有 引 入 专 门模 拟裂 纹 的 单 元 ， 凝 土 中的 ３个 相 （ 浆 混 砂 基质 、 骨料 和 过 渡 层 ） 采 用 均 匀 和 各 向 同性 的单 均 元 来模 拟 ， 只是 材料 性质 有所 差别 。
混凝土材料今后 的研究发展方 向， 应该是 注意 宏观与细、 微观等多尺度的结合 ， 力学与材料科学的
混凝土破坏过程的数值模拟
胞模型 、镶嵌裂纹模型等[1～8 ] ·连续介质理论模 型在假设混凝土为均匀材料的基础上对其非线性 予以均匀化的描述 ,但不能描述细观非均匀性对 于材料损伤及破坏局部化的影响·一些细观模型 如梁单元模型的模拟以细观拉损伤为主要破坏机 制的混凝土宏观破坏 (单轴拉伸 、三点弯曲等) ,得 到了与实验结果较为一致的结论·但模拟混凝土 的单轴压缩时的破坏过程 ,得到的结果与实验结 果偏差较大·
义[1 ]
f ( u)
=m u0
u u0
m- 1
exp
-
um
u0
,
(1)
式中 , u 代表满足该分布参数 (例如强度 、杨氏模 量 、剪切模量等) 的数值 ; u0 是一个与所有单元参 数平 均 值 有 关 的 参 数; 形 状 参 数 m 定 义 了 Weibull 分布密度函数的形状·
在本次数值分析中 , 2 种颗粒单元和 3 种不 同性质梁单元随机分布形成非均匀数值试样 , 颗 粒单元和梁单元力学性质的平均值见表 1·
混凝土受压破坏过程数值模拟在单轴受压状态下2种颗粒单元和单元力学参数均按weibuii分布密度函数取值数值试验结果显示随着混凝土材料细观力学性质分布的均匀性不同其破坏形态有很大差异weibuii分布函数的形状参数种梁单元的力学参数较为均匀试件破坏形态与主要破坏过程的数值模拟结果如图结果表明当混凝土细观力学性质较为均匀时表示混凝土材料内部缺陷很少在压应力作用下材料内部产生的裂纹很少在靠近两侧的无约束边缘处首先出现裂纹这是由于试件在压应力作用下向两侧膨胀从而在两侧产生拉应力导致裂纹出现随着压应力的不断增大裂纹逐渐向混凝土材料内部扩展直到试件破坏weibuii分布函数的形状参数料力学性质离散大即试件混凝土的细观力学性质很不均匀试件破坏形态与主要破坏过程的数值模拟结果如图3所示此时混凝土材料内部缺陷如微裂纹增多尤其在骨料和砂浆的界面上缺陷较多裂纹首先从界面产生裂纹尖端绕过骨料并随压应力增大逐渐向砂浆扩展最后贯通导致混凝土破坏这个结果说明混凝土材料力学性质的弱化是由于内部结构在受力后不断损伤导致裂纹产生而引起的混凝土材料力学性质在细观层次上的非均匀性是不可忽略的东北大学学报自然科学版第25crackhistorycubicspecimendifferentstagescrackhistorycubicspecimendifferentstages中计算结果给出的图形颜色灰度反应了梁单元强度的大小颜色越接近黑色表示该处强度越低当梁单元受力包括轴力弯矩和剪力达到其极限强度时该梁单元断裂试件中已形成裂纹在图中显示的颜色为黑色数值模拟可以跟踪混凝土试件内部裂纹萌生扩展贯通导致混凝土破坏的全过程数值模拟结果表明混凝土材料破坏是其内部潜在的各种缺陷引起的其破坏过程就是裂纹的萌生扩展以及裂纹间的贯通最终形成宏观裂缝导致混凝土失稳破裂的过程混凝土的破坏是由于材料中潜在的各种缺陷引起的而材料性质细观非均匀性和缺陷分布的随机性是造成混凝土材料内部裂纹产生以及材料宏观应力应变曲线非线性的根本原因混凝土材料的破坏过程实际上就是内部裂纹萌生扩展贯通直到产生宏观裂纹导致混凝土失稳破裂的过程1梁颗粒模型bpm可以对内部裂纹萌生扩展贯通导致混凝土破坏的全过程进行较好的数值模拟2混凝土破坏过程就是微裂纹萌生扩展贯通直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳破裂的过程数值模拟结果显示随着混凝土细观力学性质分布的均匀性不同混凝土试件破坏形态产生较大变化混凝土试件的宏观力学
《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》
《基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究》篇一一、引言混凝土作为建筑结构的主要材料，其力学性能的研究对于保障建筑安全具有重要意义。
混凝土损伤力学行为的研究是该领域的重要方向之一，而基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究更是当前研究的热点。
本文旨在通过对混凝土三维细观模型的研究，深入探讨混凝土损伤力学行为的特性及机理。
二、混凝土三维细观模型构建混凝土是由骨料、砂浆和孔隙等组成的多相复合材料。
为了更好地研究混凝土损伤力学行为，需要构建出真实反映混凝土细观结构的三维模型。
本文采用数字图像处理技术和计算机视觉技术，对混凝土试件进行微观结构分析，并构建出三维细观模型。
在模型构建过程中，需要考虑骨料的形状、大小、分布以及砂浆和孔隙的分布等因素。
同时，为了更准确地模拟混凝土的损伤过程，还需要在模型中引入裂缝、孔洞等缺陷。
三、混凝土损伤力学行为研究基于构建的三维细观模型，本文对混凝土的损伤力学行为进行了深入研究。
首先，通过对比不同加载条件下的混凝土试件，分析了混凝土在受力过程中的损伤演化规律。
其次，结合数值模拟方法，对混凝土在拉伸、压缩等不同应力状态下的损伤行为进行了模拟分析。
在研究过程中，我们发现混凝土的损伤过程是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。
例如，骨料的形状和分布、砂浆的强度和韧性、孔隙的分布和大小等因素都会对混凝土的损伤行为产生影响。
此外，混凝土的损伤还与加载速率、温度等因素有关。
四、混凝土损伤机理分析通过对混凝土损伤力学行为的研究，我们发现混凝土的损伤机理主要包括以下几个方面：1. 骨料与砂浆之间的界面破坏：由于骨料和砂浆之间的粘结强度较低，当混凝土受到外力作用时，界面处容易发生破坏，导致裂缝的产生和扩展。
2. 孔隙和缺陷的扩展：混凝土中的孔隙和缺陷在受力过程中会逐渐扩展，形成较大的裂缝，导致混凝土的强度和韧性降低。
3. 材料的非均匀性：由于骨料的形状、大小和分布等因素的影响，混凝土的材料性质具有非均匀性。
混凝土细观力学研究进展及评述
混凝土细观力学研究进展及评述马怀发陈厚群黎保琨展，在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映出试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。
近十几年来，基于混凝土的细观结构，人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型，最具典型的有格构模型（Ｌａｔｔｉｃｅｍｏｄｅｌ）、随机粒子模型（Ｒ跚ｄｏｍｐａｒｔｉｃｌｅ啪ｄｅｌ）‘掣ＭｏｈａｍｅｄＡＲ【引等提出的细观模型、随机骨料模型（Ｒａｎｄｏｍａｇｇｌｌｅｇａｔｅｍｏｄｅｌ）及唐春安等人心８’２引提出的随机力学特性模型等。
这些模型都假定混凝土是砂浆基质、骨料和两者之间的粘结带组成的三相复合材料，用细观层次上的简单本构关系来模拟复杂的宏观断裂过程。
另外，文献［３０～３２］根据混凝土材料特性与分形维数的相关关系，运用分形方法定量描述了混凝土的损伤演化行为。
４．１格构模型格构模型将连续介质在细观尺度上被离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构系统，如图２。
每个单元代表材料的一小部分（如岩石、混凝土的固体基质）。
网格一般为规则三角形或四边形，也可是随机形态的不规则网格。
单元采用简单的本构关系（如弹脆性本构关系）和破坏准则，并考虑骨料分（ａ）格构杼件网络（ｂ）格构杆件属性布及各相力学特性分布的随机性。
计算时，图２格构模型在外载作用下对整体网格进行线弹性分析，计算出格构中各单元的局部应力，超过破坏阈值的单元将从系统中除去，单元的破坏为不可逆过程。
单元破坏后，荷载将重新分配，再次计算以得出下个破坏单元。
不断重复该计算过程，直至整个系统完全破坏，各单元的渐进破坏即可用于模拟材料的宏观破坏过程。
格构模型思想产生于５０多年前，当时由于缺乏足够的数值计算能力，仅仅停留在理论上。
２０世纪８０年代后期，该模型被用于非均质材料的破坏过程模拟ｎ８瑚’２１’３３。
６］’。
后来，ｓｃｈｌａｎｇｅｎＥ等人汹’２１’”“３将格构模型应用于混凝土断裂破坏研究，模拟了混凝土及其它非均质材料所表现的典型破坏机理和开裂面的贯通过程。
混凝土细观破坏过程的近场动力学模拟
混凝土细观破坏过程的近场动力学模拟郭士强;夏晓舟;顾鑫;章青【摘要】近场动力学(Peridynamic,PD)是一种基于非局部作用思想的理论,解决不连续问题时具有独特优势.首先概述了常规态型PD基本理论(Ordinary State-Based PD,OSB PD),采用了一种新的圆形骨料投放方法,有效地提高了混凝土骨料的投放率,建立了适用于混凝土细观破坏的常规态型PD计算模型.对混凝土结构的细观破坏过程进行了模拟,数值模拟结果与理论解吻合较好,进而分析了混凝土结构细观破坏机理.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2019(037)007【总页数】7页(P1122-1128)【关键词】近场动力学;混凝土;细观破坏;数值模拟;骨料【作者】郭士强;夏晓舟;顾鑫;章青【作者单位】河海大学工程力学系,南京 211100;河海大学工程力学系,南京211100;河海大学工程力学系,南京 211100;河海大学工程力学系,南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TU528混凝土作为一种由砂浆，骨料，微孔隙等组成的非均质复合材料，被广泛应用于公路、桥梁、大坝、隧道等基础设施建设，其宏观力学性能受细观结构的影响较大.早期研究多是基于传统的连续介质力学，在连续均匀假设的基础上，从宏观角度分析混凝土的破坏过程，很难反映混凝土的真实破坏机制.因此从细观角度研究混凝土的失效破坏具有重要意义.Zaitsev［1］等给出了混凝土二维细观模型，该模型认为混凝土由砂浆和骨料组成，并利用断裂力学理论分析了混凝土破坏过程.刘光廷［2］等给出了骨料，砂浆及混凝土界面区的抗拉强度和弹性模量等统计参数.Rao［3］分析了混凝土界面和骨料性质对混凝土变形、断裂能、刚度等的影响. 在解决破坏问题时，传统方法面临不同的瓶颈，有限元方法（FEM）在解决破坏问题时采用网格重构法［4］，在裂纹扩展后不断重新剖分网格，对网格具有较强的依赖性.边界元法所采用的分区算法［5］和有限单元法的局限性类似.扩展有限元法（XFEM）［6］与有限单元法相比，虽然降低了在破坏处网格的依赖性，但在分析几何非线性问题时存在缺陷.无网格法［7］降低了网格的依赖性，计算效率却大大降低.Silling［8］于2000年提出了近场动力学方法，该方法基于非局部作用思想，采用空间积分形式的本构方程代替传统连续介质力学中的微分方程，有效避免了传统力学在解决破坏问题时的对位移场的微分，在解决不连续问题时具有独特的优势，已经被广泛应用于分析损伤破坏等不连续问题.Gerstle［9］等基于近场动力学方法分析了普通的均质混凝土结构在不同工况下的破坏问题.Vogler和Lammi［10］等利用三维弹塑性常规态PD模型假设混凝土为均质材料，模拟了混凝土结构在动态和静态压缩时的破坏行为.国内，顾鑫，郁杨天，沈峰［11-12，18，20-24］等也对混凝土结构的破坏问题进行了研究，但都是将混凝土假设为均质材料；沈峰［19］考虑了混凝土的细观特性，采用蒙特卡罗方法对混凝土中骨料进行了投放，但该方法投放率较低.本文采用常规态型近场动力学方法，利用FORTRAN语言编写了骨料投放程序，在PD模型中，骨料投放率可达到70%，可以满足大体积混凝土的骨料投放模拟.将混凝土视为由骨料、砂浆及界面过渡区组成的非均质材料，建立混凝土细观模型，利用该模型分析了Ⅰ、Ⅱ型裂纹在混凝土板中的细观破坏问题，并与其宏观裂纹扩展结果进行了比较分析.1 近场动力学基本理论1.1 运动方程近场动力学方法将物质离散为一系列物质点，在空间区域δ 内，时刻t，物质点x 和x′存在相互作用力f：式中：ρ为物质点x 处材料密度；u¨为t 时刻物质点x 处的加速度；b 表示在t 时刻物质点x 所受外力密度；Lu 为物质点x 在其近场范围内所受其他物质点作用的合力密度，常规态近场动力学物质点相互作用如图1所示.图1 OSB PD物质点变形状态和力密度矢量态Fig.1 Deformation state of PD material points and vector state of force density1.2 二维常规态线弹性PD模型重要定义定义拉伸标量状态：其中：表示应变能密度为单位方向矢量，∇表示Freche 导数［13，16-17］，-t 表示力的标量状态，表示中球量部分，表示中偏量部分.定义加权量：其中w 为影响函数.进而定义膨胀量：其中γ 是与泊松比有关的常数.经典连续介质力学中，二维平面应力应变能密度为：其中：K 为体积模量；μ 为剪切模量；ν 为泊松比.类比传统的应变能密度，给出近场动力学变形能密度：令上述两式相等得到：常规状态PD模型［15］中，力的标量状态-t 由变形能密度W 对标量拉伸状态-e 的弗雷谢导数求得：2 混凝土的随机骨料模型混凝土作为由骨料、砂浆及界面区组成的复合材料，其宏观力学性能受到混凝土级配和骨料含量影响，建立反映混凝土细观结构不均匀性的骨料模型，是对混凝土细观破坏分析的前提和基础.本文采用FORTRAN程序编写了骨料投放程序，骨料投放率可以达到70%，可以满足混凝土骨料投放的需求.首先在计算模型外部生成一定数量的骨料，骨料坐标可以表示为生成骨料数量为n，如图2所示.图2 骨料生成示意图Fig.2 Schematic diagram of aggregate packing其中：Dmax 表示骨料最大直径.为了提高骨料投放率，使骨料在有限区域内随机移动：移动后的骨料需要满足：1）相交性条件：满足以上两个条件后，骨料的移动为有效运动：不满足上述条件时为无效运动，骨料回到初始位置. 然后对i+1 个骨料进行随机移动，直到随机移动完所有已投放骨料，重复多次随机移动可以使骨料间更加紧凑，骨料投放率较高.进行完随机移动次数后，进行下次骨料投放.重复对计算模型进行骨料的投放和随机移动，直到满足骨料投放率或者计算模型中骨料数目不再增加.图3 表示边长为150 mm 二维方形板内，投放率为70.2%，骨料粒径为（5～15 mm）和（20～25 mm），骨料之间质量百分比为50%的二级配模型.3 数值算例与分析图3 生成的混凝土随机骨料模型Fig.3 The random aggregate model of generated concrete首先利用ANSYS 软件建立均质模型，进而对模型进行网格划分，得到物质点信息等，导入程序输入文件，进而调用骨料生成程序，进行骨料投放，得到满足要求的混凝土细观模型，调用态型近场动力学计算程序，输出结果.如图4所示，混凝土板边长为400 mm×400 mm，混凝土板左侧设置有长度为200 mm的初始裂纹，裂纹宽度为0.006 m.分别对该混凝土板建立宏观模型和细观模型，采用前述OSB PD方法进行相应的裂纹扩展分析.进行宏观计算分析时，混凝土的弹性模量E=30 GPa，泊松比为0.25，密度2400kg/m3，能量释放率采用近场动力学方法离散时，物质点间距物质点总数为159801，边界点数为2406，时间步长Δt=2×10-7s，局部阻尼取进行细观计算分析时，首先建立混凝土的随机骨料模型，假设混凝土为二级配，骨料直径分别为（20～30 mm）和（50～60 mm），模型内两种粒径骨料质量比为1∶1，骨料投放率50.62%.骨料弹性模量E=80 GPa，泊松比为0.24，密度为3500 kg/m3，能量释放率G0=120 J/m2；砂浆的弹性模量为E=25 GPa，泊松比为0.19，密度为2000 kg/m3，能量释放率G0=80 J/m2.对混凝土板随机骨料模型进行离散，物质点间距Δx=0.001 m，离散物质点总数为159 801，边界点数为2406，时间步长取Δt=2×10-7 s，局部阻尼C=1×107 kg/(m3 ⋅s).图4 混凝土板几何模型（单位：mm）Fig.4 Geometry model of concrete specimens3.1 拉伸作用下混凝土板的裂纹扩展采用宏观模型进行模拟时，对混凝土板上下边界三层物质点，竖直方向施加大小为1 m/s 速度载荷.当t=4200 步时，混凝土板出现损伤，裂纹沿水平方向扩展，最终贯穿边界，混凝土板被拉断，如图5所示.图5 Ⅰ型裂纹扩展（宏观模型）Fig.5 Crack propagation process inModeⅠfracture model at macro-scale采用细观模型进行模拟时，施加同样的速度载荷，当t=3600 步时，混凝土板在裂纹尖端，骨料边界处出现损伤，随着载荷的增加，裂纹沿骨料和砂浆界面扩展，但总体扩展方向为水平方向，当t=6300 步时，裂纹贯穿混凝土板，如图6所示. 图6 Ⅰ型裂纹扩展（细观模型）Fig.6 Crack propagation process ofmodeⅠfracture model at meso-scale3.2 剪切状态下混凝土板的裂纹扩展考虑混凝土板受剪切作用，对混凝土板上下边界三层物质点，在水平方向分别施加大小为1 m/s 的速度载荷，分别采用宏观模型和细观模型进行Ⅱ型裂纹扩展分析，计算结果如图7和图8所示.图7 Ⅱ型裂纹扩展（宏观模型）Fig.7 Crack propagation process ofmodeⅡfracture model at macro-scale图8 Ⅱ型裂纹扩展（细观模型）Fig.8 Crack propagation process ofmodeⅡfracture model at meso-scale其中：KⅠ和KⅡ分别对应Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子表示扩展方向.根据上式，对于Ⅰ型裂纹扩展，KⅡ=0，φ=0°，对于Ⅱ型裂纹扩展，KⅠ=0，φ=70.5°，从图5 和图7 可以看出，本文宏观模型计算所得结果和理论解相吻合.细观模型的计算结果表明，骨料和砂浆的界面是混凝土材料的较薄弱区域，首先在界面处产生微裂纹，并沿界面扩展，裂纹偏离界面后，则在砂浆内扩展，由于普通混凝土中的骨料强度远高于其他组分，故裂纹不会再骨料内部产生.4 结论本文将混凝土视为由砂浆，骨料和界面组成的非均质材料，建立了混凝土材料细观常规态近场动力学模型，模拟得到了混凝土结构中裂纹萌生和扩展过程. 同事，也进行了宏观均质材料的裂纹扩展分析，数值模拟结果和裂纹相吻合，验证了本文提出的混凝土细观常规态近场动力学模型的正确性. 近场动力学理论和方法基于非局部作用思想，采用积分形式的本构方程在求解破坏问题时具有独特的优势，其已成为国际力学界研究热点问题之一，有望成为混凝土材料和结构破坏分析的一种有效方法.【相关文献】［1］ ZAITSEV J W.WITTMANN F H.Crack propagation in a two-phase material such as concrete［J］.Applications and Non-metals，1978，3：1197-1203.［2］刘光廷，王宗敏.用随机骨料模型数值模拟混凝土材料的断裂［J］.清华大学学报（自然科学版），1996（1）：84-89.［3］RAO G 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混凝土梁弯拉断裂过程的细观分析
由断裂能与裂缝宽度的关系，混凝土的软化性质就可以用拉应力－裂缝宽度关系曲线来代替应力－应 变关系曲线。
图 1 应力－张开位移曲线 2
Peterson在研究了混凝土开裂后的应变后指出，当混凝土受拉达应力峰值以后，混凝土出现了微裂
纹，无裂纹区的混凝土应变回缩而裂缝处的宽度增大。因而可以以拉应力－裂缝宽度来代替应力－应
变全曲线的下降段，以表示混凝土的应变软化行为。本文即是假定混凝土各相材料在达到峰值应力前
为线弹性材料，峰值后为准脆性应变软化材料，并以拉应力－裂缝宽度来描述混凝土各相组分的软化
行为。简单起见，假定混凝土的软化段为单直线软化，如图1。图中， ft 为材料的抗拉强度， G f 为断
图 2 混凝土四点弯曲梁试件 /mm
为了全面的反映混凝土复合材料的性能，本次试验还进行了混凝土及其组分基本物理力学参数的 研究，主要的成果列于表 2。通过对筛析试验分析，本研究将骨料粒径分为三个级配来模拟，即（20～ 16mm）、（16～10mm）、（10～5mm）。
材料 类型 混凝土 砂浆
骨料
表 2 试验测得材料部分力学参数
试件编号
界面 200
厚度 400
/ μm
600 800
表 4 不同界面厚度的峰值荷载 /kN
1
2
3
23.36
22.58
23.86
23.68
22.84
23.84
23
23.12
23.66
23.72
23.44
22.96
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《基于多种深度学习模型的混凝土宏细观力学行为研究》
《基于多种深度学习模型的混凝土宏细观力学行为研究》篇一一、引言随着现代土木工程建设的飞速发展，混凝土因其卓越的物理性能和经济性被广泛运用于各种建筑工程中。
混凝土的宏细观力学行为研究对于理解其性能、优化设计以及提高工程安全性具有重要意义。
近年来，深度学习技术的发展为混凝土力学行为的研究提供了新的方法和思路。
本文旨在探讨基于多种深度学习模型的混凝土宏细观力学行为研究，以期为混凝土结构的设计和施工提供更准确的预测和指导。
二、深度学习模型在混凝土力学行为研究中的应用深度学习作为一种人工智能技术，在处理复杂非线性问题时具有显著优势。
在混凝土宏细观力学行为研究中，深度学习模型可以用于预测混凝土的力学性能、分析破坏过程、评估结构安全性等。
目前，常用的深度学习模型包括卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）和长短期记忆网络（LSTM）等。
1. 卷积神经网络（CNN）在混凝土力学行为研究中的应用CNN是一种适用于处理图像数据的深度学习模型。
在混凝土力学行为研究中，可以通过对混凝土试件的图像进行训练，从而实现对混凝土破坏过程的预测和分析。
例如，通过分析混凝土试件表面的裂纹扩展情况，可以预测混凝土的抗拉强度和抗剪强度等力学性能。
2. 循环神经网络（RNN）和长短期记忆网络（LSTM）在混凝土力学行为研究中的应用RNN和LSTM适用于处理序列数据，可以用于分析混凝土的应力-应变曲线、破坏过程等。
通过训练RNN或LSTM模型，可以实现对混凝土力学行为的实时预测和评估，为混凝土结构的设计和施工提供指导。
三、基于多种深度学习模型的混凝土宏细观力学行为研究本文提出了一种基于多种深度学习模型的混凝土宏细观力学行为研究方法。
该方法首先收集大量的混凝土试件图像、应力-应变曲线等数据，然后分别采用CNN、RNN和LSTM等模型进行训练。
通过对比分析不同模型的预测结果，可以更全面地了解混凝土的宏细观力学行为。
具体而言，我们可以先采用CNN模型对混凝土试件的图像进行分析，预测混凝土的抗拉强度、抗剪强度等力学性能。
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2.3.2 细观力学与混凝土破坏由混凝土材料组成的工程结构, 如高坝、桥梁、海洋平台、核电站、隧道、地基基础及边坡等是基础设施建设中重要的组成部分. 混凝土材料是以水泥为主要胶结材料, 拌合一定比例的砂、石和水, 经过搅拌、振捣、养护等工序后, 逐渐凝固硬化而成的复合材料. 粗骨料和硬化水泥砂浆两种主要组成材料的成分、性质、配比以及粘结作用均对混凝土的力学特性有不同程度的影响, 这使混凝土比其他单一材料具有更为复杂的力学性能.混凝土力学特性(宏观应力–应变关系和破坏机制) 是进行大坝、海洋平台、边坡等混凝土结构抗震设计及静、动力仿真分析的重要基础之一, 也是目前研究的薄弱环节.混凝土是由水、水泥和粗细骨料组成的复合材料。
一般从特征尺寸和研究方法的侧重点不同将混凝土内部结构分为三个层次[24] (如图2-2)：(1)微观层次(Micro-level)。
材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10-7cm～10-4cm着眼于水泥水化物的微观结构分析。
由晶体结构及分子结构组成，可用电子显微镜观察分析，是材料科学的研究对象；(2)细观层次(Meso-level)。
从分子尺度到宏观尺度，其结构单元尺度变化范围在10-4厘米至几厘米，或更大些，着眼于粗细骨料、水泥水化物、孔隙、界面等细观结构，组成多相复合材料，可按各类计算模型进行数值分析。
在这个层次上，混凝土被认为是一种由粗骨料、硬化水泥砂浆和它们之间的过渡区(粘结带)组成的三相材料。
砂浆中的孔隙很小而量多，且随机分布，水泥砂浆力学性能可以看作细观均质损伤体。
相同配合比、相同条件的砂浆试件，通常其力学性能也比较稳定，可以由试验直接测定。
由泌水、干缩和温度变化引起粗骨料和水泥砂浆之间产生初始粘结裂缝，而这些细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性能；(3)宏观层次(Macro-level)。
特征尺寸大于几厘米，混凝土作为非均质材料存在着一种特征体积，一般认为是相当于3～4倍的最大骨料体积。
当小于特征体积时，材料的非均质性质将会十分明显；当大于特征体积时，材料假定为均质。
有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变的关系成为宏观的应力应变关系。
图2-2最初人们对混凝土材料力学性能的研究多偏重于宏观角度，忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构，难以揭示材料变形和破坏的物理机制，特别是天然存在的大量的细、微观缺陷，如骨料界面、孔洞以及随机分布的微裂纹在荷载作用时的扩展对混凝土力学性能的影响。
而混凝土的宏观力学性能受其细观结构的控制，宏观的破坏行为也是由于细观尺度上的损伤和断裂行为的累积和发展的结果。
比如，混凝土在宏观上表现出金属所没有的拉压异性、剪胀性、压硬性、非均匀强化和非均匀软化等特性，这些特性的内在机制必然体现在物质细观构造的差异上，即混凝土是由骨料、砂浆及二者之间的界面层等组成的多相嵌套复合材料。
即便同属于混凝土，不同级配和不同组分也将带来很大的差异性，掌握其内部构造与宏观特性之间的关系对研发高性能混凝土和根据工程特点正确使用混凝土有重要指导作用。
因此，对混凝土性能的研究关键应从混凝土的细观结构入手，以找出混凝土内部构造与宏观特性之间的必然联系。
这就不可避免的将细观力学的分析方法引入到混凝土的研究中来。
细观力学的研究需要将试验、理论分析和数值计算三方面相结合。
试验观测结果提供了细观力学的实物物性数据和检验判断标准；理论研究总结出细观力学的基本原理和理论模型；数值模拟计算是细观力学不可少的有效研究手段。
人们可以在细观层次上合理地采用各相介质本构关系的情况下，借助于计算机的强大运算能力，对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟，而且能够避开试验机特性对于试验结果的影响。
数值模拟可直观再现混凝土细观结构损伤和破坏过程。
已有的对混凝土的细观力学研究主要集中在四个方向[25]: ①混凝土有效模量及平均应力、应变的研究;②混凝土细观力学试验研究;③细观层次混凝土损伤的本构关系研究; ④混凝土细观力学数值模拟。
①混凝土有效模量及平均应力、应变的研究;求解复合材料有效性能的方法和模型很多，常用的几种细观力学方法（自洽法，稀疏法等）均可应用。
最早计算混凝土弹性模量时，在细观层次混凝土被认为是由骨料和水泥浆体所组成的两相复合材料，利用该模型根据H-S界限准则得到的混凝土弹性模量远大于实验数据。
Nilsen&Monteiro[26]和simeonov&Ahmad[27]利用H-S界限准则和实验数据分析了混凝土的弹性模量，得出混凝土应该被视为是由骨料、界面过渡区和水泥浆体组成的三相复合材料。
此后，大多数混凝土细观力学模型都采用三相细观力学模型。
随着对混凝土的微观结构组成的研究不断深入，人们对混凝土的微观结构有了更全面、更深层次的认识。
为了能尽可能的考虑到混凝土微观各组分对混凝土宏观弹性性能的影响，让所求得的混凝土有效模量与实际情况更为接近，近年来混凝土细观力学模型研究从以往的单一尺度向多尺度发展，许多研究者提出了多尺度下混凝土细观力学模型。
Guoqiang Li[28-29]将混凝土视为是由骨料、界面过渡区和水泥浆体三均质相组成的三相复合材料，建立混凝土三相细观力学球模型，计算出了混凝土的有效模量。
他们在前人给出的用于研究两相复合材料有效体积模量的三相球模型的基础之上提出了四相球模型，用于计算三相复合材料的有效体积模量。
该模型将复合材料分为是一个等效三相球模型与一个等效两相球模型的叠加，即首先把骨料跟ITZ（界面过渡区）作为是一个两相球模型，进行分析，再将骨料跟ITZ用一个等效相代替，与外面的水泥浆体及基体组成等效三相球模型进行分析。
该模型可以考虑最大骨料粒径几骨料级配对混凝土有效体积模量的影响。
利用该模型计算所得结果也试验结果很接近。
通过模型计算发现，最大骨料粒径、骨料级配以及界面过渡区都对混凝土的有效模量有很大的影响J.C.Nadeau等[30]提出了一种多尺度模型来计算混凝土的有效模量，将其表示成以下参数的函数: 细骨料、粗骨料和微观孔洞缺陷的体积分数、尺寸分布和材料弹性性能; 水灰比和水泥用量; ITZ内的水灰比梯度变化;ITz的体积分数等。
考虑到界面过渡区的微观结构组成决定其非均质性，J.C.Nadeau等将界面过渡区视为是非均质相，提出相应模型计算混凝土的有效模量。
Christian Pichler等[31]提出了一种多尺度细观力学模型来研究预测水泥基材料早期自收缩变形。
C.C.Yang等[32-33]用试验和理论分析研究了混凝土的单轴抗压力学性能。
试验研究了水泥基复合材料在不同骨料含量和不同水胶比下的混凝土单轴抗压力学性能。
又从理论上建立两相细观力学模型，运用细观力学理论进行了分析，通过运用等效夹杂理论和Mori-Tanaka 方法求出了水泥砂浆的和骨料的平均应力。
作者认为混凝土的单轴抗压强度取决于强度较弱相。
通过模型计算结果与试验结果对比，证明该模型可用于预测混凝土的抗压强度。
C.C.Yang 进而用细观力学理论研究了混凝土混合材料的有效弹性模量，提出了一种基Mori-Tanaka方法和双夹杂的计算方法，能更为精确地计算出混凝土复合材料的有效弹性模量。
该方法将夹杂分为两种: 细骨料和粗骨料。
而混凝土的有效弹性模量被表示成为细骨料、粗骨料和水泥浆体三种组分的材料性能及体积分数的函数。
利用该方法计算所得到的理论值与试验结果吻合较好。
Z. Hashin等[34]建立了一个混凝土的细观力学模型，将混凝土视为是基体中包含多个圆形夹杂，且每个夹杂周围都有界面过渡层。
用广义自洽方法计算了混凝土的有效弹性模量。
在通过试验已得混凝土的弹性模量的情况下，可以用该模型逆解出界面过渡区的弹性模量。
②混凝土细观力学试验研究试验的作用有两个方面：一方面，为细观数值模拟提供基础数据，包括试样组成材料的细观力学性质、试样的尺寸等；另一方面，检验数值模拟结果的可靠性。
在从细观层次入手进行混凝土的断裂过程模拟时，混凝土被视为由砂浆基质、粗骨料以及两者之间界面组成的复合材料，必须通过试验确定这三相组成材料的力学性质(包括弹性模量、强度、本构关系等)，以此为基础才能进行混凝土试样的断裂过程模拟，但是模拟结果还必须与真实试件的宏观试验结果进行比较，以验证其正确性和适用性。
但在细观层次上，研究混凝土各相材料的试验资料并不多。
van Mier J G M[35]，Horsch T[36]和Schlangen [37,38]等给出了混凝土三相组成材料的力学特性具有参考价值的试验资料。
③细观层次混凝土损伤的本构关系研究连续介质力学、断裂力学、损伤力学、内时理论、内变量、热力学及经典弹塑性力学等理论，是从细观层次研究混凝土损伤的本构关系的常用方法。
王海龙等[39-40]根据混凝土中裂缝的发生、发展直至破坏的机理，在翼型裂纹的基础上，考虑裂纹之间的相互作用、裂纹扩展速度对应力强度因子及孔隙水压力对裂纹扩展的影响，利用弹性断裂力学理论探讨了饱和混凝土的静、动力抗压强度变化机理并建立了理论模型。
此法采用细观断裂力学的方法，考虑了外部荷载的作用下，裂纹及孔隙中水压力的大小和影响因素及其对混凝土受力性能的影响。
根据湿态混凝土中裂纹的扩展规律，采用分枝型裂纹来研究湿态混凝土的抗压强度，利用能量等价原理来探讨湿态混凝土的本构关系和损伤特征。
为了研究在混凝土结构使用期内这种化学损伤及力学损伤对混凝土力学性能及耐久性的影响，张研等[41]提出了一种混凝土化学—力学损伤藕合本构模型。
针对于在温度因素作用下，特别是大体积混凝土结构施工期由于水化热温升而引起的结构损伤分析与研究，国内外还很罕见，王振波等[42]从细观力学和断裂力学角度出发，分析了温变过程中，混凝土材料骨料与水泥砂浆界面上的温度应力以及界面裂纹的萌生和扩展问题，考虑了材料的强度和弹性模量均随龄期变化的情况，给出了裂纹随温度变化的扩展规律，即把裂纹的长度表达为温度的函数，损伤量也表达为随温度变化的函数。
针对于现阶段地震响应分析中对混凝土结构的研究进行的较多，而对混凝土材料动力特性的研究还很少，能够反映混凝土动态性能并能运用到有限元计算中的混凝土动力本构模型更不多且现有混凝土动力模型大多是宏观、唯像的模型，很难反映混凝土材料的细观特征。
李庆斌等[43]在线弹性断裂动力学基础上，同时考虑了动力荷载的惯性影响和混凝土内自由水的粘滞作用，提出了一种可以解释混凝土抗拉率效应的断裂力学模型。
鉴于目前混凝土材料的研究多是针对自然条件下的混凝土试件，对水饱和状态下混凝土力学性能的研究甚少。
而对饱和混凝土在准静态条件下抗压强度的变化也从未有人从机制上进行合理的探讨。
④混凝土细观力学数值模拟。