大坝混凝土动态性能细观力学及并行计算研究ppt课件
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1)随机球骨料模型分布
将骨料简化为球体，按照实际级配的骨料粒径和各粒组骨料的 比例，确定各种骨料的颗粒数。
(a)两级配(骨料含量47% )
2020/3/29
(b)三级配(骨料含量59% )
随机球骨料分布模型
(c)四级配(骨料含量66%) 13
2)随机凸多面体骨料模型分布
在球形骨料模型的基础上形成多面体骨料基，以球骨料含量为控制参数， 进行随机延凸，得到随机凸体骨料模型。
大坝混凝土动态性能细观 力学及并行计算研究
马怀发
2006年6月24日
2020/3/29
1
汇报大纲
一、研究的意义和试验成果分析 二、混凝土细观力学研究方法 三、混凝土试件数值模拟的基本方程 四、混凝土试件的二维数值模拟 五、混凝土三维细观有限元并行计算研究 六、结束语
2020/3/29
2
1、研究的目的和意义
4.0
冲击波
三角波
3.5 0
20 40 60 80 100 初始静载（%）
130
120
冲击波
110
三角波
100 0 20 40 60 80 100 初始静载（%）
2020/3/29
5
3）试验结果发现：
a)全级配大坝混凝土的弯拉强度低于湿筛混凝土的弯拉强度,纯动弯拉 强度增强系数都低于30%；
b)全级配混凝土的动弯拉强度增强系数高于湿筛混凝土的动弯拉强度 增强系数;
c)一定预静载水平对动弯拉强度产生强化作用。
4）数值摸拟的出发点：
a)反映混凝土材料的内部结构特征，研究全级配混凝土与湿筛混凝土 的细微结构差异；
b)考虑混凝土材料的动载强化作用；
c)反映预静载对混凝土试件动损伤破坏过程的影响。
2020/3/29
6
汇报大纲
一、研究的意义和试验成果分析 二、混凝土细观力学研究方法 三、混凝土试件数值模拟的基本方程 四、混凝土试件的二维数值模拟 五、混凝土三维细观有限元并行计算研究 六、结束语
因此,有必要研究: 在不同预静载作用下，混凝土动态性能的变化规律。
2020/3/29
3
2、大坝混凝土的动态试验成果
1）小湾四级配混凝土和湿筛混凝土静动态弯拉试验成果：
6.0 全级配混凝土
湿筛混凝土 5.0
160
150
全级配混凝土
140
湿筛混凝土
4.0
130
静动弯拉载强度/MPa
动载增强系数（%）
3.0
பைடு நூலகம்
(d) 试件两对称面上的细观单元剖面
混凝土随机凸体骨料模型细观单元剖分
2020/3/29
16
汇报大纲
一、研究的意义和试验成果分析 二、混凝土细观力学研究方法 三、混凝土试件数值模拟的基本方程 四、混凝土试件的二维数值模拟 五、混凝土三维细观有限元并行计算研究 六、结束语
2020/3/29
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1、混凝土材料的应变率强化现象 （试验成果）
2020/3/29
9
(1)二维随机骨料模型
瓦拉文用三维富勒级配曲线推导出了试件内截面任一点具有某种 骨料直径的内截圆出现的概率，即瓦拉文公式。对于一个特定 的混凝土拌和物，使用这个公式即可产生试件截面上骨料的颗 粒数。利用瓦拉文将三维问题简化为二维问题
Pc (D D0 ) Pk (1.065D00.5 Dma0x.5 0.053D04 Dma4x 0.012D06 Dma6x 0.0045D08 Dma8x 0.0025D010Dm1ax0 )
(a) 两级配随机凸体骨料模型
(b) 三级配随机凸体骨料模型
随机凸体骨料模型
2020/3/29
14
3)随机骨料细观有限元剖分
(a) 固化水泥砂浆单元
(b) 骨料单元
(c) 界面单元
(d) 对称切面网络图
三级配随机球骨料模型有限元网格图
2020/3/29
15
(a) 骨料单元
(b) 界面单元
(c) 固化水泥砂浆单元
A
Dx
B D0
2020/3/29
骨料切面示意图
10
1)二维随机骨料模型
2020/3/29
圆骨料模型
多边形骨料模型
11
2）二维随机骨料模型细观有限元网格
2020/3/29
(a) 圆骨料细观剖分
(b) 凸多边形骨料细观剖分
骨料单元(灰色);砂浆单元(无色);界面单元(黑色)
12
(2)三维随机骨料模型
要研究混凝土级配对混凝土宏观力学特性的影响，必须考虑混凝土细 观结构的差异。
2020/3/29
8
2、细观数值模型
为了建立混凝土细微观结构特性与其在宏观力学特性的关 系，自上个世纪70年代末，人们发展了混凝土细观力学 研究方法。
细观力学将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥胶体以及两者 之间的界面粘结带组成的三相非均质复合材料，在细观 层次上划分单元。考虑骨料单元、固化水泥砂浆单元及 界面单元材料力学特性的不同，以其细观各相材料的破 坏准则或损伤模型反映单元刚度的退化，利用数值方法 模拟混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态。
1）重大工程抗震安全评价的主要环节
地震作用—工程结构地震响应—材料动态抗力 大坝混凝土动态抗力是大坝抗震安全评价的薄弱环节：
动态强度静态强度提高30%，依据国外早期少量湿筛试件的试验 结果:
大坝混凝土的湿筛试件和全级配试件动态性能存在差异。
2）拱坝受力特点：
(1)高拱坝是一种空间结构，处于偏心受压状态。在强震时，坝体 薄弱部位主要因坝体混凝土的动弯拉应力引起开裂，因此，动弯 拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一; (2)在地震作用时，坝体各部位都已经存在不同程度的静态应力。
2.0 0
20 40 60 80 100 初始静载（%）
120
110
100 0
20 40 60 80 100 初始静载（%）
2020/3/29
4
2)小湾拱坝三级配混凝土，以冲击加载和三角波加载两种 方式，在不同预静载水平下得到的动弯拉强度：
5.0
140
静动弯拉载强度/MPa
动载增强系数（%）
4.5
相
相 对 抗 压 强 度
对
抗 拉 强 度
应变率（1/s） 混凝土相对抗压强度与应变速率的关系
2020/3/29
7
1、混凝土材料的细观结构层次
晶体原子结构
水化硅酸钙
混凝土颗粒
实验室尺寸
结构
微观
细观
宏观
混凝土的层次结构示意图
(1)微观层次， 材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10-7 厘米至10-4厘米。 (2)细观层次，尺度范围在10-4厘米至几厘米,或更大一些。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/界面）组成的三相材料。 (3)宏观层次， 特征尺寸大于几厘米。材料假定为均质。
将骨料简化为球体，按照实际级配的骨料粒径和各粒组骨料的 比例，确定各种骨料的颗粒数。
(a)两级配(骨料含量47% )
2020/3/29
(b)三级配(骨料含量59% )
随机球骨料分布模型
(c)四级配(骨料含量66%) 13
2)随机凸多面体骨料模型分布
在球形骨料模型的基础上形成多面体骨料基，以球骨料含量为控制参数， 进行随机延凸，得到随机凸体骨料模型。
大坝混凝土动态性能细观 力学及并行计算研究
马怀发
2006年6月24日
2020/3/29
1
汇报大纲
一、研究的意义和试验成果分析 二、混凝土细观力学研究方法 三、混凝土试件数值模拟的基本方程 四、混凝土试件的二维数值模拟 五、混凝土三维细观有限元并行计算研究 六、结束语
2020/3/29
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1、研究的目的和意义
4.0
冲击波
三角波
3.5 0
20 40 60 80 100 初始静载（%）
130
120
冲击波
110
三角波
100 0 20 40 60 80 100 初始静载（%）
2020/3/29
5
3）试验结果发现：
a)全级配大坝混凝土的弯拉强度低于湿筛混凝土的弯拉强度,纯动弯拉 强度增强系数都低于30%；
b)全级配混凝土的动弯拉强度增强系数高于湿筛混凝土的动弯拉强度 增强系数;
c)一定预静载水平对动弯拉强度产生强化作用。
4）数值摸拟的出发点：
a)反映混凝土材料的内部结构特征，研究全级配混凝土与湿筛混凝土 的细微结构差异；
b)考虑混凝土材料的动载强化作用；
c)反映预静载对混凝土试件动损伤破坏过程的影响。
2020/3/29
6
汇报大纲
一、研究的意义和试验成果分析 二、混凝土细观力学研究方法 三、混凝土试件数值模拟的基本方程 四、混凝土试件的二维数值模拟 五、混凝土三维细观有限元并行计算研究 六、结束语
因此,有必要研究: 在不同预静载作用下，混凝土动态性能的变化规律。
2020/3/29
3
2、大坝混凝土的动态试验成果
1）小湾四级配混凝土和湿筛混凝土静动态弯拉试验成果：
6.0 全级配混凝土
湿筛混凝土 5.0
160
150
全级配混凝土
140
湿筛混凝土
4.0
130
静动弯拉载强度/MPa
动载增强系数（%）
3.0
பைடு நூலகம்
(d) 试件两对称面上的细观单元剖面
混凝土随机凸体骨料模型细观单元剖分
2020/3/29
16
汇报大纲
一、研究的意义和试验成果分析 二、混凝土细观力学研究方法 三、混凝土试件数值模拟的基本方程 四、混凝土试件的二维数值模拟 五、混凝土三维细观有限元并行计算研究 六、结束语
2020/3/29
17
1、混凝土材料的应变率强化现象 （试验成果）
2020/3/29
9
(1)二维随机骨料模型
瓦拉文用三维富勒级配曲线推导出了试件内截面任一点具有某种 骨料直径的内截圆出现的概率，即瓦拉文公式。对于一个特定 的混凝土拌和物，使用这个公式即可产生试件截面上骨料的颗 粒数。利用瓦拉文将三维问题简化为二维问题
Pc (D D0 ) Pk (1.065D00.5 Dma0x.5 0.053D04 Dma4x 0.012D06 Dma6x 0.0045D08 Dma8x 0.0025D010Dm1ax0 )
(a) 两级配随机凸体骨料模型
(b) 三级配随机凸体骨料模型
随机凸体骨料模型
2020/3/29
14
3)随机骨料细观有限元剖分
(a) 固化水泥砂浆单元
(b) 骨料单元
(c) 界面单元
(d) 对称切面网络图
三级配随机球骨料模型有限元网格图
2020/3/29
15
(a) 骨料单元
(b) 界面单元
(c) 固化水泥砂浆单元
A
Dx
B D0
2020/3/29
骨料切面示意图
10
1)二维随机骨料模型
2020/3/29
圆骨料模型
多边形骨料模型
11
2）二维随机骨料模型细观有限元网格
2020/3/29
(a) 圆骨料细观剖分
(b) 凸多边形骨料细观剖分
骨料单元(灰色);砂浆单元(无色);界面单元(黑色)
12
(2)三维随机骨料模型
要研究混凝土级配对混凝土宏观力学特性的影响，必须考虑混凝土细 观结构的差异。
2020/3/29
8
2、细观数值模型
为了建立混凝土细微观结构特性与其在宏观力学特性的关 系，自上个世纪70年代末，人们发展了混凝土细观力学 研究方法。
细观力学将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥胶体以及两者 之间的界面粘结带组成的三相非均质复合材料，在细观 层次上划分单元。考虑骨料单元、固化水泥砂浆单元及 界面单元材料力学特性的不同，以其细观各相材料的破 坏准则或损伤模型反映单元刚度的退化，利用数值方法 模拟混凝土试件的裂缝扩展过程及破坏形态。
1）重大工程抗震安全评价的主要环节
地震作用—工程结构地震响应—材料动态抗力 大坝混凝土动态抗力是大坝抗震安全评价的薄弱环节：
动态强度静态强度提高30%，依据国外早期少量湿筛试件的试验 结果:
大坝混凝土的湿筛试件和全级配试件动态性能存在差异。
2）拱坝受力特点：
(1)高拱坝是一种空间结构，处于偏心受压状态。在强震时，坝体 薄弱部位主要因坝体混凝土的动弯拉应力引起开裂，因此，动弯 拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一; (2)在地震作用时，坝体各部位都已经存在不同程度的静态应力。
2.0 0
20 40 60 80 100 初始静载（%）
120
110
100 0
20 40 60 80 100 初始静载（%）
2020/3/29
4
2)小湾拱坝三级配混凝土，以冲击加载和三角波加载两种 方式，在不同预静载水平下得到的动弯拉强度：
5.0
140
静动弯拉载强度/MPa
动载增强系数（%）
4.5
相
相 对 抗 压 强 度
对
抗 拉 强 度
应变率（1/s） 混凝土相对抗压强度与应变速率的关系
2020/3/29
7
1、混凝土材料的细观结构层次
晶体原子结构
水化硅酸钙
混凝土颗粒
实验室尺寸
结构
微观
细观
宏观
混凝土的层次结构示意图
(1)微观层次， 材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10-7 厘米至10-4厘米。 (2)细观层次，尺度范围在10-4厘米至几厘米,或更大一些。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/界面）组成的三相材料。 (3)宏观层次， 特征尺寸大于几厘米。材料假定为均质。