混凝土单轴压缩破坏试验的二维离散元数值模拟
土体颗粒破裂过程离散元模拟的新方法
土体颗粒破裂过程离散元模拟的新方法董爱民;蒋国盛【摘要】土体颗粒的破碎对土体的宏观变形和强度性质有重要影响.数值模拟方法是研究土体颗粒破碎机理的重要手段.采用离散元数值软件PFC模拟土体颗粒的破碎.首先利用PFC内置Fish语言编写颗粒破坏准则,使得单个颗粒在满足破坏函数时破裂成为多个粒径更小的颗粒,从而实现PFC中颗粒的可破碎性,降低了传统方法“团聚颗粒”模拟颗粒破碎时建模和参数选取的复杂性.随后运用Fish编写的程序模拟土体在单轴压缩条件下颗粒破碎的过程;并对土体颗粒破碎特征进行分析.分析可知:颗粒破碎随着加载进行逐步从土体上部向下发展;土体中颗粒的破碎现象在空间上并不均匀发生,主要集中在试样的上部;加载过程中试样孔隙率的变化可以分为两个阶段,第一个阶段与颗粒的位置调整相关;而第二个阶段则与颗粒破碎相关,且第二阶段变化更为明显.颗粒破碎最终导致土体颗粒的粒径分布更为不均匀,最终形成级配较好的土体;但试样初始阶段的颗粒仍然为土体的主要成分.模拟结果与室内试验的部分成果比较,模拟结果与试验观察到的破裂现象基本一致,表明运用新方法模拟颗粒破碎过程合理、可行.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)025【总页数】5页(P277-281)【关键词】土体;颗粒破碎;破碎过程;数值模拟;PFC【作者】董爱民;蒋国盛【作者单位】中国地质大学工程学院,武汉430074;中基发展建设工程有限责任公司,北京100024;中国地质大学工程学院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TU43土体在各类动静荷载的作用下容易产生颗粒破裂，而颗粒破裂会导致工程对象的变形性能和渗透性质发生变化，且使得土体的各种力学性质随着颗粒的破碎产生非线性的变化［1，2］，最终会影响工程结构的稳定和安全。
因此，研究土体颗粒的在荷载作用下的破裂过程和机理十分重要。
国内外许多学者基于室内试验对影响颗粒破碎的影响因素及其对材料宏观性质的影响进行了研究。
自密实混凝土单轴压缩试验细观模拟
第１５卷 第１２期２０２０年１２月中国科技论文ＣＨＩＮＡＳＣＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲＶｏｌ．１５Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２０２０自密实混凝土单轴压缩试验细观模拟王晓琴１，杨名超２，肖 明３，程瑾俊４，孙辅皓５（１．武汉科技大学城市学院，武汉４３００８３；２．中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉４３００１０；３．武汉绕城高速公路管理处，武汉４３００００；４．安庆职业技术学院，安徽安庆２４６００３；５．江苏大彭工程项目管理咨询有限公司，江苏徐州２２１３００）摘 要：为了研究自密实混凝土（ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＳＣＣ）力学性能及破坏机理，采用离散元方法，建立了ＳＣＣ单轴压缩试验离散元模型，进行了不同骨料形状、不同骨料占比和界面过渡区（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｚｏｎｅ，ＩＴＺ）不同强度下单轴压缩模拟试验。
结果表明：建立ＳＣＣ离散元模型可以很好地描述其裂纹的产生、发展和破坏过程；不规则骨料颗粒比圆形骨料颗粒试件更能反映真实骨料分布，碎石骨料抗压强度更接近室内试验；ＩＴＺ强度对试件的抗压强度有一定的影响，当ＩＴＺ强度大于砂浆强度８０％时，试件抗压强度基本不受ＩＴＺ强度的影响。
关键词：自密实混凝土；细观模拟；离散元；单轴压缩；界面过渡区中图分类号：ＴＵ５２８．５ 文献标志码：Ａ文章编号：２０９５２７８３（２０２０）１２１４１００７开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：犕犲狊狅 狊犮犪犾犲狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅狀狌狀犻犪狓犻犪犾犮狅犿狆狉犲狊狊犻狅狀狋犲狊狋狅犳狊犲犾犳 犮狅犿狆犪犮狋犻狀犵犮狅狀犮狉犲狋犲ＷＡＮＧＸｉａｏｑｉｎ１，ＹＡＮＧＭｉｎｇｃｈａｏ２，ＸＩＡＯＭｉｎｇ３，ＣＨＥＮＧＪｉｎｊｕｎ４，ＳＵＮＦｕｈａｏ５（１．犆犻狋狔犆狅犾犾犲犵犲，犠狌犺犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犠狌犺犪狀４３００８３，犆犺犻狀犪；２．犆犲狀狋狉犪犾犪狀犱犛狅狌狋犺犲犿犆犺犻狀犪犕狌狀犻犮犻狆犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犇犲狊犻犵狀牔犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲犆狅．，犔狋犱．，犠狌犺犪狀４３００１０，犆犺犻狀犪；３．犠狌犺犪狀犚狅狌狀犱 狋犺犲 犆犻狋狔犈狓狆狉犲狊狊狑犪狔犃犱犿犻狀犻狊狋狉犪狋犻狅狀犗犳犳犻犮犲，犠狌犺犪狀４３００００，犆犺犻狀犪；４．犃狀狇犻狀犵犞狅犮犪狋犻狅狀犪犾犪狀犱犜犲犮犺狀犻犮犪犾犆狅犾犾犲犵犲，犃狀狇犻狀犵，犃狀犺狌犻２４６００３，犆犺犻狀犪；５．犑犻犪狀犵狊狌犇犪狆犲狀犵犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犘狉狅犼犲犮狋犕犪狀犪犵犲犿犲狀狋犆狅狀狊狌犾狋犻狀犵犆狅．，犔狋犱．，犡狌狕犺狅狌，犑犻犪狀犵狊狌２２１３００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＳＣＣ），ｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍ ｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓｏｆＳＣＣｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｇｇｒｅｇａｔｅｓｈａｐｅｓ，ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｚｏｎｅ（ＩＴＺ）ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＳＣＣｃｒａｃｋｓ．Ｔｈｅｉｒｒｅｇｕｌａｒａｇｇｒｅｇａｔｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｃａｎｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｒｅａｌａｇｇｒｅｇａｔｅｄｉｓｔｒｉ ｂｕｔｉｏｎｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｒｏｕｎｄｏｎｅｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｃｌｏｓｅｒｔｏｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔ．ＩＴＺｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｉｎｆｌｕ ｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎ．ＷｈｅｎＩＴＺｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ８０％ｏｆｍｏｒｔａｒｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｎｏｔａｆｆｅｃｔｅｄｂｙＩＴＺｓｔｒｅｎｇｔｈ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＳＣＣ）；ｍｅｓｏ ｓｃａｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｚｏｎｅ（ＩＴＺ）收稿日期：２０２０ ０３ １１基金项目：湖北省教育厅科学研究计划指导性项目（Ｂ２０１７４２５）；湖北省高校省级教学改革研究项目（２０１８５１２）；安徽高校自然科学研究重点项目（ＫＪ２０１７Ａ７８７，ＫＪ２０１９Ａ１１９３）；安徽省高等学校省级质量工程项目（２０１６ｘｎ２ｘ０２５）第一作者：王晓琴（１９７８—），女，副教授，主要研究方向为混凝土材料和混凝土结构，７５１６５８１７１＠ｑｑ．ｃｏｍ 自密实混凝土（ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＳＣＣ）作为高性能混凝土之一，无需振捣就可达到密实效果，硬化后具有抗裂能力强、抗渗透能力高等特点，可有效避免外界环境的影响，因而被广泛应用到各种实际工程中。
基于随机骨料模型的再生混凝土单轴压缩数值模拟
基于随机骨料模型的再生混凝土单轴压缩数值模拟姚泽良;段东旭;党发宁;张芳芳【摘要】采用计算机语言MATLAB自编基于塑性损伤本构关系的再生混凝土随机骨料程序,利用大型软件ABAQUS建立再生混凝土双界面细观结构计算模型,对模型的抗压性能、应变峰值、应力分布、损伤状态等关键性能进行了系统的计算分析,研究了不同界面砂浆强度、厚度等因素对再生混凝土关键性能的影响.结果表明:单轴压缩荷载作用下再生混凝土的内外界面区域出现损伤破坏,其原因是该区域存在拉应力集中和剪应力集中;在较弱的界面区最先出现损伤,之后损伤逐渐向砂浆区域扩展;新老砂浆的强度对再生混凝土抗压性能的影响显著;老硬化砂浆在一定程度上弱化了再生混凝土的性能.%Based on the concrete damage plasticity constitutive model, aprogram of the concrete random aggregate is developed.The bifacial mesoscopic structure models of the recycled concrete random aggregate are established by the finite element software ABAQUS.The mesoscopic mechanical properties of the recycled concrete, such as the compressive strength, peak strain, damage development, stress distribution and so on are studied.The effects of the new and old hardened mortar strength, the strength and thickness in the internal and external interface area on the mechanical properties are analyzed.The results show that there exist tensile stress and shear stress concentration problem in the internal and external interface area of the recycled concrete under uniaxial compression.The damage failure is mainly caused by the concentration of the tensile stress and shear stress.The initial damage occurs first in the weaker interfacial region, with the damage developed tothe mortar area.The strength of the new and old hardened mortar strength has greatly affected the concrete compressive strength, and it has a small impact on the interface region and the outer interface strength.The old hardened mortar may weaken the mechanical properties of the recycled concrete.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2018(034)004【总页数】6页(P475-480)【关键词】损伤塑性;再生混凝土;随机骨料;细观结构【作者】姚泽良;段东旭;党发宁;张芳芳【作者单位】西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048;西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048;西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048;西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TU470全球产生的废弃混凝土量逐年增加，废弃混凝土回收利用问题已成为学术界和工程界研究的热点问题之一。
岩石单轴压缩试验离散元模拟分析
岩石单轴压缩试验离散元模拟分析赵海军【摘要】采用二维离散元程序PFC2D,对岩石试样的单轴压缩试验进行了数值模拟.将数值模拟结果和室内试验实测结果进行了比较,发现颗粒流方法能够较好地模拟室内试验,其结果对研究岩石单轴作用下的破坏机理有一定的应用价值.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2018(044)011【总页数】2页(P72-73)【关键词】岩石;单轴压缩试验;数值模拟【作者】赵海军【作者单位】山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城 252000【正文语种】中文【中图分类】TU4581 概述岩石单轴压缩试验是岩石力学试验中最简单、最基本的试验方法。
传统室内试验存在成本高、岩石试样不可重复等缺点。
随着计算机技术的发展，数值模拟被用于岩石的破坏机理研究中。
从微观层面而言，岩石是由内部微小的矿物颗粒相互粘结而成的[1]，矿物颗粒有着不同的粒度、形状，颗粒之间粘结介质有着不同的接触关系，这些众多的微观因素在一定程度上影响着岩石宏观力学特性。
与传统有限元相比，离散元细观颗粒模型能反映岩石内部微裂纹扩展为宏观裂纹的过程，体现裂纹在扩展过程中相互的影响，以及颗粒间接触力的重分布过程。
构建出准确反映岩石特性的细观颗粒模型，能合理模拟出岩石微观结构动态破裂过程[2]。
本文利用PFC2D程序，构造相应的岩石数值模型，对岩石的单轴压缩试验进行数值模拟。
通过改变颗粒的细观参数，得到一系列不同的宏观参数。
对这些数值结果进行分析处理，得出岩石的宏观和细观参数之间联系。
通过岩石试样的颗粒流数值模拟，调整颗粒的细观参数，得到与室内试验结果相似的应力—应变关系曲线，以及相似的破坏模式，有一定的理论分析和实际应用价值。
2 基本原理离散元法基于P.A.Cundall等的离散元理论发展起来[3]，PFC软件中采用圆盘表示颗粒，通过在颗粒间设置粘结来提供岩土体的宏观强度，用于模拟分析颗粒之间的粘结接触主要为接触粘结模型和平行粘结模型。
混凝土受压破坏机理及分析方法
混凝土受压破坏机理及分析方法一、前言混凝土是一种常见的建筑材料，其用途广泛，应用范围包括建筑、道路、桥梁、水利工程等领域。
在混凝土结构设计和施工过程中，混凝土的受力性能是一个非常重要的考虑因素。
混凝土的受压破坏机理及分析方法是混凝土力学研究中的基础问题。
本文将对混凝土受压破坏机理及分析方法进行探讨。
二、混凝土受压破坏机理混凝土受压破坏机理是指混凝土在受压作用下发生破坏的原因和过程。
混凝土受压破坏机理主要包括以下几个方面：1.混凝土的本构关系混凝土是一种非线性材料，其本构关系在受压作用下表现为三阶段。
第一阶段为线性弹性阶段，此时混凝土的应力与应变成正比关系；第二阶段为非线性弹性阶段，此时混凝土的应力-应变关系呈现出非线性的特征，但应力与应变的增长率仍然保持一定的比例关系；第三阶段为非弹性阶段，此时混凝土的应力-应变关系呈现出明显的非线性特征，应力增长率急剧增加，直至混凝土破坏。
2.混凝土的微结构特征混凝土的微观结构由水泥基体、骨料和孔隙组成。
混凝土的强度主要由水泥基体和骨料的强度大小决定。
在混凝土受压作用下，水泥基体和骨料之间的界面发生剪切破坏，骨料的裂纹扩展导致混凝土的破坏。
3.混凝土的应力状态混凝土的应力状态主要包括三种形式：单轴压缩、双轴压缩和三轴压缩。
不同的应力状态下，混凝土的破坏形式和破坏机制也有所不同。
在单轴压缩状态下，混凝土的破坏形式为塑性破坏；在双轴和三轴压缩状态下，混凝土的破坏形式为脆性破坏。
4.混凝土的缺陷混凝土的缺陷主要包括孔隙和微裂缝。
孔隙和微裂缝会导致混凝土的强度降低，同时也会影响混凝土的变形特性和破坏形式。
三、混凝土受压破坏分析方法混凝土受压破坏分析方法是指通过数学模型和实验手段对混凝土受压破坏的过程进行分析和预测的方法。
混凝土受压破坏分析方法主要包括以下几种：1.塑性力学方法塑性力学方法是一种基于连续介质力学原理的数学模型分析方法。
通过假设混凝土为弹塑性材料，建立应力-应变关系的数学模型，从而预测混凝土在受压作用下的应力状态和破坏形式。
碾压混凝土单轴压缩数值模拟研究
碾压混凝土单轴压缩数值模拟研究对碾压混凝土力学性质的研究，大都是基于宏观的实验来确定的，但是实验条件受到很多因素的影响，其结果往往与理论值有很大的出入，因此从细观层次入手，采用RFPA2D软件为工具，建立数值模型单轴压缩实验，研究碾压混凝土层面厚度对其本体的影响，初步分析和探讨了解材料的破坏机理，研究材料在不同条件下的本构关系。
标签：碾压混凝土；单轴压缩；层面；力学性能1 引言碾压混凝土是用振动碾压实的超干硬性混凝土，是一种应用极其广泛的多相非均质复合材料，其组成成分结合处也即其层面的力学性能对碾压混凝土宏观力学性能影响较大。
且碾压混凝土层面力学性能的研究对于充分发挥材料强度，提高设计水平，降低工程造价以及提高工程结构的安全性具有十分重要的意义，因此，国内外许多学者对碾压混凝土作出了很多研究，综合起来大概有碾压混凝土的层面对其力学性能的影响[1，2]、层面对其渗透性能的影响及层间结合质量等，但在研究过程中，有时会忽略材料内部复杂的细观结构，且大都是基于宏观的实验来确定的，这不仅需要花费大量的人力、物力、财力等，而且因为实验条件受到很多因素的影响，其结果往往与理论值有很大的出入，因此很难揭示材料变形和破坏的物理机制。
本文在前人研究工作的基础上，以RFPA2D软件为工具，采用随机生成骨料方法建立模型研究层面厚度对碾压混凝土试件的破坏过程和及其本构关系。
2 数值模型建立及结果分析2.1 数值模拟模型碾压混凝土单轴压缩模拟试验的数值模型见图 2.1。
模型大小为100mm×100mm，层面厚度为2mm，试验时，在试件顶部施加荷载，为避免产生相对位移，将底部进行固定。
2.2 碾压混凝土单轴压缩数值模拟试验结果及分析碾压混凝土单轴压缩数值模拟试验结果见图2.1，为了便于比较，本文将文献[3]中的碾压混凝土实验室的实测结果也绘于图2.1。
从图2.1所示的应力—应变曲线模拟的试验结果可以看出数值模拟试件与物理实验的碾压混凝土试件在应变为0.0009之前呈现直线，随着应变的增加，两者的曲线开始出现非线性特征，此时应力随着应变增加的速率越来越小，当增加的速率为0时，此时应力达到峰值；数值模拟碾压混凝土试件峰值点对应的峰值应变0.0020，而物理实验碾压混凝土试件的峰值点对应的峰值应变0.0018，参照《混凝土结构设计规范》（GB50010.2002）的规定，数值模拟碾压混凝土试件的峰值强度与峰值应变与规范接近，而物理实验碾压混凝土试件存在偏差，导致这种原因可能与取的载荷步的大小有关。
《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》范文
《基于离散元的冻结黏土三轴压缩试验数值模拟》篇一一、引言随着计算机科学技术的不断进步，数值模拟已经成为研究土力学行为的重要手段。
特别是对于冻结黏土这类特殊土体，其实验条件和实际工程应用场景往往复杂多变，因此通过数值模拟手段进行研究具有重要的实践意义。
本篇论文旨在基于离散元法对冻结黏土的三轴压缩试验进行数值模拟，从而进一步揭示其力学性能及破坏模式。
二、离散元法概述离散元法是一种用于模拟非连续介质行为的数值方法，特别适用于模拟颗粒材料如土体等。
该方法通过引入“颗粒”这一基本单元来描述土体的宏观力学行为，通过分析颗粒间的相互作用和运动规律，进而得出土体的整体力学特性。
三、冻结黏土特性分析冻结黏土是一种特殊的土体类型，其物理力学性质与常规土体存在显著差异。
在三轴压缩试验中，冻结黏土表现出独特的应力-应变关系和破坏模式。
为了更准确地模拟其力学行为，需深入了解其微观结构、力学参数以及冻结过程中的相变规律。
四、模型建立与参数设定本研究采用离散元法建立冻结黏土的三轴压缩试验模型。
模型中，土体被离散为一系列的颗粒单元，每个颗粒单元具有一定的质量、尺寸、形状及力学参数。
根据实际三轴压缩试验条件，设定边界条件、加载方式及颗粒间的相互作用力等参数。
此外，还需根据实际试验结果对模型进行验证和修正，以确保模拟结果的准确性。
五、数值模拟结果与分析通过对模型进行三轴压缩试验的数值模拟，我们得到了冻结黏土的应力-应变曲线、破坏模式等结果。
与实际试验结果相比，数值模拟结果具有较高的吻合度，证明了离散元法在模拟冻结黏土三轴压缩试验中的有效性。
此外，我们还分析了不同因素（如温度、含水率等）对冻结黏土力学性能的影响，为实际工程应用提供了有益的参考。
六、结论与展望本研究基于离散元法对冻结黏土的三轴压缩试验进行了数值模拟，揭示了其力学性能及破坏模式。
通过对比分析数值模拟结果与实际试验结果，验证了离散元法在模拟冻结黏土三轴压缩试验中的有效性。
方韬-混凝土结构破坏过程的离散单元法模拟
第38卷第7期2004年7月浙 江 大 学 学 报(工学版)Jo ur nal o f Zhejiang U niv ersity(Eng ineer ing Science)Vol.38No.7July 2004收稿日期:2003-07-25. 浙江大学学报(工学版)网址:w w w.journals.z /eng 作者简介:方韬(1980-),男,浙江义乌人,硕士生,主要从事结构工程的研究.E -mail :fbravet @sohu .com混凝土结构破坏过程的离散单元法模拟方 韬,龚顺风,金伟良(浙江大学土木工程学系,浙江杭州310027)摘 要:介绍了适于混凝土材料的离散单元模型的破坏准则、计算方程以及弹簧系数等计算参数的确定方法.对在强制位移作用下的混凝土板变形及破坏过程进行了数值模拟和动画显示,并对钢筋混凝土梁在不同剪跨比情况下的破坏形态进行了模拟分析.算例与分析结果表明,离散单元法是模拟混凝土结构破坏的一种有效分析方法.关键词:离散单元法;混凝土;数值模拟;破坏过程中图分类号:T U 311.41 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2004)07-0921-05Failure process simulation of concrete structures bydiscrete element methodFAN G T ao ,GON G Shun -feng ,JIN Wei -liang(D ep ar tment of Civil Eng ineer ing ,Zhej iang Univ er sity ,H angz hou 310027,China )Abstract :The failure criterion,for mula and determ inatio n o f analytical par am eters such as spring mo dulus of the discrete element mo del for concr ete material w ere presented.T he deform ation and damag e process of a concrete plate under for cible loading were simulated and displayed ,and the different failure co nfiguratio ns of the reinforced concrete beam s w ith different ratios of shear to span w er e also sim ulated.The results show that the discrete element metho d is an effective approach fo r simulating the damage pr ocess o f concrete structures.Key words :discrete elem ent m ethod ;concrete ;num er ical simulation ;failure pr ocess 钢筋混凝土结构的力学性能和破坏状况的数值模拟一般都采用有限元法.但有限元法所研究的对象主要是连续体,而混凝土、岩石等脆性材料在冲击、地震等动荷载作用下的破坏过程,是一个从连续到不连续直至破坏的过程,因而用有限元法对其进行模拟并不适合.离散单元法(discrete element metho d)是20世纪70年代发展起来的一种分析节理岩石的数值计算方法,其基本思想最初是由Cundall [1]提出的,它可用来模拟岩石等非连续体的断裂和破坏过程.最初,离散单元法只适用于岩石块体等离散体,但经改进后也可用来模拟混凝土等连续体的破坏过程.有关文献[2,3]已证明采用离散单元法模拟混凝土等连续的脆性材料是十分可行的.不过Saw amoto 等人[2]提出的模型,没有明确考虑钢筋的作用,可以说只是一个“素混凝土”模型.本文同时考虑混凝土和钢筋的作用,着重分析离散单元法的力学模型、计算模型、单元刚度等系数,对强制位移作用下混凝土板的变形、破坏过程进行数值模拟和动画显示,并对钢筋混凝土梁在不同剪跨比情况下的破坏形态进行模拟分析.1 单元模型1.1 基本原理离散单元法是将研究体离散成若干单元的集合,在运动过程中单元之间可以分离,即一个单元与其邻近单元可以接触,也可以分开.单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求得,而单个单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律来确定.目前,大都采用球体(或圆)单元来模拟混凝土材料.为了考虑砂浆等黏结材料的作用,可以在单元之间的法向和切向增加弹簧予以模拟,(圆)单元模型如图1所示.图1 离散单元模型F ig.1 Discret e element mo del同样应用上述模型对钢筋进行模拟,但单元的刚度与混凝土单元不一样.因为计算中采用的单元直径一般均比钢筋的直径要大,所以实际上的钢筋单元是钢筋及其表层部分混凝土的组合.这里忽略了钢筋与其表层混凝土间的滑移.当钢筋单元与混凝土单元发生相互作用时,实际上仍是混凝土之间的相互作用,因此计算时刚度取混凝土的刚度.1.2 破坏准则将单元间相互作用的状态分为两种:状态一:弹簧是正常的,它不但可以承受压力,还可以承受拉力,因此单元间存在压力、拉力和剪力;状态二:当产生裂缝后,水泥砂浆失去抵抗拉力的能力,只有当单元之间相互挤压时,弹簧才产生作用,因此单元间只存在压力和剪切力.图2 混凝土破坏准则F ig .2 Failur e crit erion of concr ete采用M ohr-Coulomb 准则作为混凝土的破坏准则,如图2所示,其中F t 、F c 分别为单元的拉伸强度和压缩强度.由图2可知,当单元间的法向力超过材料的抗拉强度时,它们间相互作用的状态就变为状态二;或者当剪力超过(C + f n )(C 为黏性常数,fn为单元间法向力)时,相互作用状态也变为状态二,此时剪力变为 f n ( =tan , 为摩擦角).1.3 基本方程以平面问题为例,介绍其基本方程.在如图1所示的坐标系下,规定法线方向的位移增量 u n 以远离方向为正,切线方向的位移增量 u s 以逆时针方向为正.其值分别为u n =( u j - u i )cos !+( ∀j - ∀i )sin !, u s =-( u j - u i )sin !+( ∀j - ∀i )cos !- (r i #i +r j #j ).(1)式中: u i 、 ∀i 、 u j 、 ∀j 、 #i 、 #j 分别为 t 内i 、j 两单元沿X 、Y 轴方向及回转方向的位移增量,!为t 时刻两圆圆心线与坐标轴间的夹角.由虎克定律可得到t 时刻i 、j 两单元间的法向力f n (压力为正)和切线方向的剪力f s (逆时针为正)为f n ∶=f n -k n u n ,f s ∶=f s +k s u s .(2)式中:k n 、k s 分别为单元法向刚度系数和单元切向刚度系数.“∶=”为赋值符号,表示将右端的变量赋予左边的变量.为了考虑单元在运动过程中的能量损失,应当在计算过程中加入阻尼力.假定接触点的阻尼力与位移增量成正比:D n =-∃k n u n ,D s =-∃k s u s .(3)式中:∃为刚度阻尼系数.再将上述力转化为整体坐标下的分量:F x =-(f s +D s )sin !-(f n +D n )cos !,F y =(f s +D s )cos !-(f n +D n )sin !.(4)将对i 单元的所有接触力求和并且加上i 单元所受的外荷载,就可求出i 单元所受的合力为F x sum = j F x+F x load ,F y sum = jF y+F y load,M sum =r ij(F s+D s).(5)式中:F x sum 、F y su m 、M sum 分别为单元i 在X 、Y 方向的合力和合力矩.根据牛顿第二运动定律,可得到单元i 的运动方程为m u ¨+%m u ・=F x sum ,m ∀¨+%m ∀・=F y sum ,I #¨+%m #・=M sum .(6)式中:m 为单元质量,%为质量阻尼系数,I 为单元的转动惯量.对式(6)进行一阶中心差分后,可求得922浙 江 大 学 学 报(工学版) 第38卷 u ・(t + t /2)=[u ・(t - t /2)(1-% t /2)+ F xmt ]/(1+% t /2),∀・(t + t /2)=[∀・(t - t /2)(1-% t /2)+F ymt ]/(1+% t /2),#・(t + t /2)=[#・(t - t /2)(1-% t /2)+ M It ]/(1+% t /2).(7)因此,从t 到t + t 时刻单元的位移和转角增量以及t + t 时刻圆心位置分别为u =u ・(t + t /2) t ,∀=∀・(t + t /2) t , #=#・(t + t /2) t .(8)x ∶=x + u ,y ∶=y + ∀.(9)从而可得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、位移以及所受合力等物理量.2 单元参数的选择2.1 刚度系数的确定在分析平面问题时,一般采用圆单元,单元间的组合方式呈正六边形,如图3所示.图3 呈正六边形排列的模型Fig .3 Par ticle arr angement in hex ag onal pat tern刚度系数定义如下[2]:对于平面应力状态,k n =3Et /(3(1-∀)),k s =3(1-3∀)E t /(3(1-∀2)).(10)对于平面应变和轴对称应力状态,k n =3E &/(3(1+∀)(1-2∀)),k s =3(1-4∀)E &/(3(1+∀)(1-2∀)).(11)式中:E 为钢筋的弹性模量,t 为混凝土的厚度;对于平面应变状态&为1,对于轴对称应力状态,&取为2∋b (b 为从对称轴到单元圆心距离).钢筋单元的刚度为K B =EAL.(12)式中:A 为钢筋的横截面积,L 为两单元圆心间距离.2.2 阻尼系数的确定在离散单元法中采用黏滞阻尼模型.因为此模型实质上仍然是Ray leig h 线性比例阻尼,所以阻尼系数%和∃可以用与有限单元法相同的方法确定[4].Rayleigh 线性比例阻尼的第i 阶阻尼比为(i =12(%)i +∃)i ).(13)式中:w i 为第i 阶频率.确定阻尼系数时,可以通过手算或其他方法(如有限单元法)计算得到第一与第二阶频率,并将根据假定或测试的第一和第二阶振型阻尼比代入式(13)获得两个联立方程,求得质量阻尼系数与刚度阻尼系数.从式(13)可以看出,结构的低阶振型阻尼主要取决于质量阻尼,而高阶振型阻尼主要取决于刚度阻尼.若忽略刚度阻尼,结构的高阶振型阻尼将估计过低,但对于大多数结构的动态响应,起主要作用的是低阶振型,因此,可以忽略刚度阻尼,这样,离散单元法的阻尼系数实际上只有质量阻尼系数一项.从而得到进一步简化的公式:%=2(1)1.(14)式中:)1、(1分别为结构的第一阶频率和阻尼比.根据实际经验,钢筋混凝土结构的一阶阻尼比为0.03～0.08.实际计算时,可以通过已知或假定的(1和计算得到的)1,利用式(14)得到质量阻尼系数%.2.3 时间步的确定时间步 t 也要有一个限制,如果时间步 t 取得太大,其解将出现不稳定.根据文献[5],可以规定t <2Cm /k .(15)式中:m 为所有单元中的最小质量,k 为所有单元中的最大法向刚度,常数C 一般取为0.1.3 算例分析3.1 混凝土板破坏分析应用VC 6.0编程平台,自行编制了应用于平面问题分析的离散元程序.利用此程序可以计算和模拟不同材料在不同荷载和边界情况下的变形破坏过程,其中整个结构的荷载和边界条件的模拟是通过923 第7期方韬,等:混凝土结构破坏过程的离散单元法模拟对部分单元加入初荷载和位移约束条件实现的.下面计算分析混凝土平板受快速强制位移作用时的破坏问题.计算模型为32cm×60cm的混凝土长方形平板,厚度为0.1m,如图4所示.物理参数为:弹性模量E=23.3GPa,泊松比∀=0.2,抗压强度f c=24.6M Pa,抗拉强度f i=2.2MPa,密度∗=2400kg/m3,摩擦系数u=2.2M Pa,刚度阻尼系数为零,质量阻尼系数%=0.03.约束条件为:板的下端为固定端约束,上端为水平约束.加载条件为:上端垂直向下的强制位移速率分别为0.5、5.0m/s.取单元半径r=0.02m,时间步长t=10-6s.图4 混凝土板模型Fig.4 Concret e plate mo del 利用本计算程序,可以模拟出混凝土平板的整个变形破坏过程,图5列出了几个较为典型的图片.其中t、v、u分别为时间、强制位移速率和位移量.通过动画演示,可以发现:1)在加载的初始阶段,单元的变化较慢,越到后面,变化越剧烈.这与混凝土受压破坏实验的结果一致,起初只是裂缝的稳定扩展阶段,后面才是裂缝的不稳定发展阶段,期间裂缝和试块宽度都急剧增加;2)当强制位移速率较小时,单元脱落先从较靠中部的边缘开始,而当强制位移速率较大时,单元脱落先从较靠上部的边缘开始;3)从破坏程度来看,大速率的情况下破坏较严重,而且呈散状,小速率的情况下,破坏单元的排列比较整齐,只是中间出现两条对称的交叉裂缝,这和静载试验所观察到的情形是一致的,同时也验证了本计算方法的可靠性.模拟结果表明,应变率对混凝土破坏方式的影响还是很大的;4)与参考文献[6]中的算例相比较,基本结果是一致的,但还是有一些差别,这是因为文献[6]在模拟过程中未考虑阻尼.3.2 钢筋混凝土梁破坏分析应用上述程序模拟无腹筋梁在不同剪跨比情况下的斜截面破坏.模拟梁的高、宽、长分别为0.25、0.12和1.00m;梁配有2根#20的纵筋,其混凝土材料物理特性与上例相同;梁的约束条件为:梁的下图5 混凝土板的破坏过程F ig.5 Failur e pr ocess of concret e plate端由两个支座支撑;加载条件为:分别在梁A(相应的剪跨比+=0.8)、B(+= 1.3)、C(+= 2.0)处加集中荷载,如图6所示.离散单元半径r=0.015m,时间步长t=10-6s.图6 钢筋混凝土梁模型Fig.6 Reinfo rced co ncr ete beam mo del加载时,每级荷载大小为10kN,逐级增加,直至梁发生破坏.(a)情况下的破坏荷载最大,为80kN;(b)情况下的破坏荷载为50kN;(c)情况下的破坏荷载最小,为40kN.图7为梁的最终破坏形式.由此可以得出结论:随着剪跨比+的增大,梁的破坏形式按斜压、剪压和斜拉的顺序演变,其抗剪强度也逐步减弱,这与试验结果相当吻合.分析其原因,剪跨比+实质上与截面上正应力,与剪应力−的比值相关,,与−决定了主应力的大小和方向,因而,必然对斜截面的抗剪性能产生很大影响.本程序只适用于平面情况,因此梁下端的钢筋类似于钢板,阻碍裂缝的延伸,使梁底部的裂缝发展并不明显. 924浙 江 大 学 学 报(工学版) 第38卷 图7 梁的破坏形态F ig.7 Failure feat ur es of beam4 结 语本文应用离散单元法对混凝土和钢筋进行了模拟.算例表明,只要选择好计算参数,用离散单元法来模拟混凝土结构在冲击荷载或静荷载作用下的动态破坏过程是可行的,且能很好地描绘出内部裂缝的发展过程.总之,离散单元法是模拟结构破坏的一种有效的分析方法.若要更准确地模拟混凝土材料,可以采用实验和数值模拟相结合的方法确定非常重要的刚度系数.模拟结果还证明,应变率效应对混凝土破坏机理的影响是很大的;梁的剪跨比也对斜截面的抗剪性能产生很大的影响.由于本文所应用的程序只适用于平面问题,对诸如梁的底部裂缝发展问题不能作详细的描述.对于此类问题,只能编制适用于空间问题的程序加以解决.参考文献(References ):[1]CU N DA LL P A.A Computer model fo r simulatingpr o gr essive larg e scale mov ement in blocky r ock sy stem [J ].Proceedings of the Symposium of the International Society of Rock Mechanics ,1971,2(2):129-136.[2]SA WA M O T O Y ,T SU BOT A H,K ASA I Y ,et al .A naly tical studies on local dam age tor einfor cedconcrete st ructures under im pact lo ading by discr ete element method [J].Nuclear Engineering and Design ,1998,179(2):157-177.[3]秦东,范立础.钢筋混凝土结构倒塌全过程数值模拟[J].同济大学学报:自然科学版,2001,29(1):80-83.Q IN Do ng,F A N L i-chu.Numer ical simulation oncollapse pr ocess of r einfor ced concret e str uctures [J].Journal of Tongji University :Natural Science ,2001,29(1):80-83.[4]秦东,孙利民,范立础.钢筋混凝土扩展散体单元法的阻尼系数研究[J].结构工程师,2000,(4):25-28.Q IN Dong ,SU N L i -min ,FA N L i -chu .Resear ch on the damping co efficient of reinfo rced concr ete ex tended dist inct element method [J].Structure Engineer ,2000,(4):25-28.[5]王泳嘉,邢纪波.离散单元法及其在岩土工程中的应用[M ].沈阳:东北工学院出版社,1991:44-47.[6]刘凯欣,高凌天,郑文刚.混凝土动态破坏过程的数值模拟[J ].工程力学,2000,1(增刊):470-474.L IU Kai -x in ,G A O L ing -tian ,ZHENG Wen -gang .N umer ical simulat ion on failur e pr ocess of concrete [J].Engineering Mechanics ,2000,1(Sup):470-474.925 第7期方韬,等:混凝土结构破坏过程的离散单元法模拟。
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土骨料形状变化的影响，并采取了一些简化措施。由此可
见，针对混凝土单轴压缩的破坏过程，颗粒流模拟结果（即 应力一应变全曲线）与试验结果有很好的相似性。因此，对 于任意给定的混凝土试件，合理改变材料的细观参数，可 以更有效的模拟混凝土材料的力学特性。
ｔ筑与螬构设计ｌ
一 一
ａ
圈３单轴受压应力一应变全曲线比较
３．３
细观参数对混凝土本构行为的影响
不同细观参数取值对混凝土的本构行为影响的结果，
如图４～图７所示。图４表明，平行黏结刚度（图中用ｐＬ上， 表示）越大，对应的峰值强度越小，出现峰值强度时对应的 应变越小。图５中。平行黏结强度（图中用ｐｕｈ表示）对试 件的应力一应变曲线有较大影响，混凝土的峰值强度随平 行黏结强度的增大而增大，出现峰值强度时的对应应变也 越大。图６中，混凝土试件的峰值强度随摩擦系数（图中用 ，表示）的增大而增加，这是因为，颗粒间的摩擦系数越大， 所建立起来的骨架结构强度越高，混凝土的承载能力就越 高。但随着摩擦系数的增大，试件强度的增长速度逐渐降 低。图７中，平行黏结半径（图中用Ｒ表示）对试件的应 力一应变曲线影响较大，保持其它参数不变，平行黏结半 径越大，对应的峰值强度越大。
０
圈５平行黠结强度变化对混凝土本构行为的影响
６９
万方数据
ｌ工程ｔ设与设计 ｃｗｕ－叫由ｎ正仇‘驴，打ｆ呵州
Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ【Ｊ】．ＡＣＩ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９９，９６（２）：１９６－２０３． ［３１ Ｍｏｎｔｅｉｒｏ Ａｚｅｖｅｄｏ
Ｃｏｎｔａｃｔ Ｎ。Ｌｏｎｏｓ Ｊ Ｖ．Ａ
图６摩擦系数变化对混凝土本构行为的影响
水利学报。２００４（１０）：２７．３５． 【７】刘光廷，高政国．三维凸型混凝土骨料随机投放算法【Ｊ】．清华大 学学报，２００３，４３（８）：２９－３６． 【８ｌ唐春安，朱万成．混凝土损伤与断裂一数值试验【Ｍ】．北京：科学 出版社，２００３．
芒
［９１Ｉｔａｓｃａ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｉｎｃ．ＰＦＣ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ 【Ｍ】．Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ：ＩＣＧ，２００４．
［１２１过镇海，等．混凝土应力一应变全曲线的试验研究［Ｊ】．建筑结
图７ 平行黏结半径变化对混凝土本构行为的影响 构学报，１９８２（Ｉ）：ｌ－１２．
４
结语
本文对混凝土的单轴压缩破坏过程进行了探讨性研
究，结果表明，颗粒流方法可以有效地模拟混凝土的力学 性能和破坏形态。采用颗粒流软件ＰＦＣ２Ｄ建立的混凝±数
混凝土单轴压缩破坏试验的二维离散元数值模拟
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｕｎｄｅｒ Ｕｎｉａｘｉａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ＤＥＭ
肖辉，刘忠，李春月，王翠翠，张孝芳
（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭４１１１０５）
ＸＩＡＯ Ｈｕｉ。ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇ，ＬＩ
Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ
Ｒｉｇｉｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ
Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ【Ｊ】．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００５，２９（３）： 芒
２６９－２８５．
ａ
ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒｍ ｏｆ
【关键词】混凝土；颗粒流；应力一应变曲线；数值模拟 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｐａｒｔｉｃｌｅｆｌｏｗ；ｓｔｒｅｓｓ・ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 【中图分类号ＩＴＵ３１７ 【文献标志码ＩＡ Ｉ文章编号１１００７．９４６７（２０１１）０８－００６７－０４
Ｍｒ＝凰
Ｅ＝ｍ（ｒ酯）
验直接测量得到，需要不断改变颗粒单元及其集合体的细 观参数，反复进行离散元虚拟试验，来确定离散元模型相 应的细观参数。经多次试算和调整，本文混凝土试件模型
（６）
中，骨料参数确定如下：法向黏结刚度和切向黏结刚度取
为２ｘ１０，ｏＮ／ｍ，法向黏结强度和切向黏结强度取为２× １０ｑ＇ａ，平行黏结半径取为０ ５ｍｍ；水泥砂浆材料参数确定 如下：法向黏结刚度和切向黏结刚度取为２ｘ１０＇＇，ｌ／ｍ，法向 黏结强度和切向黏结强度取为２ｘｌＯＴＰａ，平行黏结半径取为
过程非常复杂。为了探讨混凝土的破坏机理，国外学者提 出了许多研究混凝土破坏过程的细观力学模型㈣】，这些模 型均将混凝土视为由砂浆基质、骨料和两者之间的交界面 组成的三相复合材料，并用细观层次上简单的本构关系来
特性Ｍ】。本文采用颗粒流软件ＰＦＣ２Ｄ，模拟了混凝土单轴
压缩的破坏过程，并讨论了仿真试件的细观力学参数对混
式中，只“、‘‘分别为接触力的法向和切向分量矢量。法向 接触力矢量的计算公式为： ｆ
４神泸ｎ．
式中，廿为法向刚度，它的值由当前的接触刚度模型确定。 切向接触力以增量的方式来计算，在接触形成的初始阶 段，剪切接触力的值为零，随后，由于切向相对位移增量而 产生的切向接触力的增量，都会叠加到当前的切向接触力 上。切向接触力增量的计算式为： △ｆｔ—ｐＡＡＵ．‘ （３）
式中，驴为切向刚度；＾为接触面的面积；Ａｔ／，‘为切向位移 增量。由此可得，切向接触力为： Ｂ—Ｆ．ｉ＋ＡＰｉ
（４）
２．３运动定律
在颗粒流方法中，颗粒的运动取决于作用在颗粒上的
合力和合力矩。由于颗粒被假定为刚体，于是，颗粒的运动
满足刚体的平动和转动平衡方程。颗粒的平动方程为： 围１混凝土数值试件 （５） ＰＦＣ模拟需要通过颗粒之间的相互作用来反映宏观尺 度混凝土材料的力学特性，而模型的细观参数无法通过实 式中，ｍ为颗粒的质量；，。为颗粒的加速度；ｇ为颗粒的重 力加速度；Ｅ为颗粒受到的除重力以外所有力的合力。 颗粒的转动方程为：
ｔ＝２０００步
ｂ
ｔ＝８０００步
Ｃ
ｆ＝１１０００步ｄ
ｆ＝１４０００步
围２
混凝土试件的破坏过程
３．２混凝土单轴压缩应力一应变曲线的模拟结果
为了验证模型受压全曲线的吻合程度，将模拟得到的 应力一应变曲线和过镇海㈣建议的曲线做了简要对比，如 图３所示（图中，“为混凝土的最大轴向应力，，为混凝土
的轴向应力，＆为最大轴向应力对应的轴向应变，ｓ为混凝
３ 接触力之间的关系，接触力作用在接触点上。接触力矢量‘
混凝土单轴压缩过程的二维颗粒流数值
模拟
的表达式为： 本文利用ＰＦＣ２Ｄ软件进行了混凝土单轴压缩试验破 Ｅ＝‘。＋Ｅ‘ （１） 坏过程的数值模拟，模拟过程大致分为三个步骤：生成试 样、固结、加载。二维模型的顶面和底面采用刚性墙模拟， 侧面边界为自由边界。首先，用半径为０．２ｎⅡｎ加．５ｍｍ的颗 粒，在宽度为５０ｍｍ，高度为１００ｍｍ的墙体范围内，生成水 （２） 泥砂浆基质材料；再随机生成块体用以模拟骨料及其空间 随机分布，然后．对试样进行固结并赋予颗粒的细观物理 参数。最后，利用顶面和底面墙体的伺服控制机制。对试样 进行加载。混凝土数值试件见图１。
值模型，能较好地模拟混凝土的破坏过程，计算结果与混
凝土单轴压缩的应力－应变的试验曲线有较好的相似性。
在此基础上，进行了参数分析，分析表明：试件的峰值强度 随着平行黏结强度、摩擦系数、平行黏结半径的增大而增 加，随平行黏结刚度的增加而降低，其中，平行黏结强度和
是把整个介质看作是由一系列离散的、独立运动的颗粒组
１
引言
混凝土是一种典型的准脆性材料，其力学特性和破坏
成，通过圆形颗粒的运动及其相互作用来研究颗粒介质的 力学性能。在具有颗粒结构特性的介质中，物理域内真实
的颗粒被数学抽象为颗粒单元，采用颗粒单元，构造试件 几何模型，通过接触本构关系，形成相互作用，运用迭代分 析，使得数值试件的宏观力学特性，逼近真实材料的力学
究，（电子信箱）ｘ．ｈｙｑ＿１５４４＠１６３．ｃ．ｏｍｏ
的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小；（５） 接触处有特殊的黏结强度；（６）颗粒单元为圆盘形或球形。
６７
万方数据
ｌｃｗⅢ☆‘”ｈｆ＇＂“
ｌ工程ｔ设与设计
２．２力一位移定律
力一位移定律反映了两个相接触实体间的相对位移和
和黏结圆盘半径Ｒ等５个参数定义的。
模拟复杂的宏观破坏过程。国内许多学者也进行了类似的
工作，彭一江【４ｌ、徐菁１５】、马怀发【ｃ】采用二维数值模型研究了 混凝土的破坏过程；刘光廷ｆ７】进行了三维凸型混凝土骨料 随机投放算法的研究；唐春安等【ｓ】利用数值软件ＭＦＰＡ２Ｄ， 模拟了混凝土在多种应力条件下的损伤与断裂过程。 颗粒流方法是一种特殊的离散单元法，它的基本思想
凝土力学特性的影响。
２
２．１
颗粒流方法的计算理论
颗粒流方法的基本假定
颗粒流方法采用如下基本假定：（１）颗粒单元为刚性
体；（２）接触发生在很小的范围内，即为点接触；（３）接触特 性为柔性接触，接触允许有一定的“重叠”量；（４）“重叠”量
【作者简介ｌ肖辉（１９８¨．男。湖南邵阳人，硕士研究生。从事结构工程研
压缩破坏试验，分析了模型细观参数对混凝土宏观力学特性的影响。并对其破坏形态进行了研究。分析表明：试件的峰值强度随 着平行黏结强度、摩擦系数、平行黏结半径的增大而增加，随平行黏结刚度的增加而降低。
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓａｔｙｐｉｃａｌｑｕａｓｉ－ｂｒｉｔｔｌｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｗｈｏｓｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｍｐｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓ啪ｖｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘ．Ａｎ
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３．１混凝土的破坏形态
在单轴压缩试验条件下，对混凝土试件的破坏过程进 行了数值模拟，破坏过程如图２所示。由图可知，当荷载较 小时（即，加载时间步较少日、，），试件中局部颗粒之间的黏