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数值模拟在混凝土工程中的应用研究进展
admin在2020-08-26发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:本文简单阐述了数值模拟方法及其分类,并针对近10年来数值模拟方法在混凝土力学性能、耐久性能以及流变性能研究中的应用和发展进行了回顾,同时论述了数值模拟方法在混凝土工程研究中面临的主要问题。

0 引言
    通常研究混凝土性能的方法有理论分析、试验研究和数值模拟三种,目前关于混凝土性能的研究大多建立在试验的基础上,但由于试验条件、方法、环境和材料本身的限制,有些试验很难进行,或者离散性很大,或者难以突破时间的限制。数值模拟实际上可以理解为用计算机来做实验,数值模拟替代了大量的实验,节省了大量的人力物力,带来了可观的社会效益和经

    济效益,它已经在石油化工和机械等行业领域有较多应用,但在混凝土工程中特别是在混凝土流变性能方向尚未有效展开,因此数值模拟已经成为当下研究混凝土性能的热点方向。

1 数值模拟方法和分类
    随着计算机技术和计算方法的发展,许多复杂的工程问题都可以采用区域离散化的数值计算并借助计算机得到满足工程要求的数值解。常用的离散化方法有有限差分法、有限元法和有限体积法[1-2]。有限差分法(FDM)是数值解法中最经典的方法,但有限差分方法只有当网格极其细密时,离散方程才满足积分守恒,商业软件极少采用。基于有限元方法(FEM)的数值模拟商业软件最多,它们主要面向固体力学和结构力学问题。基于有限体积法(FVM)的商业软件也不少,它们主要面向流体力学和传热传质学问题,有限体积法不仅在数学求解上易于理解,而且有限体积法即使在粗网格情况下,也显示出准确的积分守恒。
    就离散方法而言,有限体积法可视作有限元法和有限差分法的中间产物。三者各有所长[3],有限差分法:直观,理论成熟,精度可选,但是不规则区域处理繁琐,虽然网格生成可以使FDM应用于不规则区域,但是对区域的连续性等要求较严。使用FDM的好处在于易于编程,易于并行。有限元方法:适合处理复杂区域,精度可选。缺憾在于内存和计算量巨大,并行不如FDM和FVM直观。有限体积法:适于流体计算,可以应用于不规则网格,适于并行。但是精度基本上只能是二阶了。

2 数值模拟在混凝土性能研究中的应用
2.1  数值模拟在混凝土力学性能研究中的应用
    在混凝土力学性能研究中,很多情况下无法进行试验,如混凝土结构细观特性需要采用扫描电镜等先进的试验设备,只有加载和测试同时开展才能得到较准确的结果,这种试验方法过程复杂,且试验结果较离散。用数值模拟的方法模拟混凝土结构损伤破坏过程有着先天的优势[4]
    夏晓舟[5]应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型。并利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能的细观机制。
    叶丹燕[6]基于统计理论和Monte-Carlo随机抽样原理,分别建立了纤维混凝土随机圆形、椭圆形和凸多边形骨料细观模型,提出并验证了纤维混凝土细观模型力学性能数值模拟试验方法,并针对不同粗集料形状的纤维混凝土细观模型利用大型有限元软件ABAQUS进行了抗压和抗弯拉强度数值模拟试验。数值模拟试验与试验室试验得到的抗压和抗弯强度的平均值误差较小。
    孙立国[7]针对大坝混凝土骨料含量高的特点,提出了一种全新的骨料生成算法,通过一次性随机投放形成的三角形基骨料随机延凸,生成任意形状的随机骨料,通过对随机骨料模型进行有限元网格划分,并采用大型通用有限元软件MARC对东江拱坝三级配混凝土试件的单向轴拉破坏过程进行了全过程数值模拟,数值模拟计算结果与试验结果接近。
    朱浮声[8]将混凝土粗骨料分档组配,建立了9个不同组配比例的混凝土细观数值模型,利用有限元分析系统 MFPA2D模拟了不同组配比例对混凝土抗压强度的影响情况,并模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程。结果显示,分档比例不同,会直接影响混凝土的抗压强度,数值模拟试验与物理试验结果基本吻合。但是其研究的数值模型是以圆形颗粒为基础的,试验结果稳定性有待检验。
    宋来忠[9]在二维情形下,基于参数曲线的自由变形技术,将混凝土骨料及黏结界面的轮廓线用确定的、形式统一的参数方程予以表示,建立了混凝土随机参数化骨料数学模型。该数学模型描述了骨料、砂浆与黏结界面组成的二维三相复合结构形式,考虑到细观混凝土三相材料性质的不同,作者针对三相材料使用MATLAB、AutoCAD和ANSYS软件分别进行了网格的划分建模,并进行了数值加载试验。该方法可较好地满足混凝土动静力学性能细观数值分析的要求。
    赵海涛[10]基于细观随机骨料模型,构建符合界面厚度要求的混凝土圆柱体细观模型,通过赋予混凝土骨料、砂浆和界面的各项力学参数,模拟了混凝土圆柱体在轴拉应力状态下的力学性能,探讨了不同均质程度的混凝土圆柱体抗拉强度变化规律,模拟研究结果与实测混凝土强度误差较小。
2.2  数值模拟在混凝土长期及耐久性能研究中的应用
    当前,不少学者将数值模拟方法应用到混凝土耐久性研究中,但是对混凝土耐久性研究主要是集中在混凝土裂缝扩展[11-1317]及氯离子腐蚀两个方面,对其他诸如抗渗透性、抗碳化性能、抗冻性能方面还不够深入。
    刘睫[11]结合云南糯扎渡水电站大坝心墙区垫层混凝土施工,应用有限元软件ANSYS对整个计算过程进行较为全面的分析和介绍,对大体积混凝土在浇筑后30d龄期内的温度场进行模拟,计算混凝土内部及表面温升曲线。在此基础上采用铺设冷水管的温控措施,有效控制了混凝土内部最高温度及内外温差,达到了防止出现温度裂缝的目的,有效提高了混凝土结构的耐久性。
    由于有限元是基于无数小单元的近似,在研究对象受到大变形时,需要对网格进行重新划分,并且严重影响计算精度,因此刘杏红[14]结合混凝土热传导问题推导了伽辽金无网格方法控制方程和基本算法步骤,编制了混凝土温度场计算和温度裂缝扩展过程模拟的无网格法程序,并通过具体的算例验证了伽辽金无网格程序的正确性。数值模式试验结果表明无网格法能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程。
    为了给混凝土结构耐久性研究和寿命预测提供参考,许崇法[15]依据扩散理论和有限元数值模拟,对应力、碳化和酸雨等单一因素和多因素耦合作用下的混凝土构件中性化区域的物质含量分布、PH值和中性化深度进行了分析。研究结果表明混凝土中性化深度的数值模拟具有一定的可信度。
    李春秋[16]在干湿交替下表层混凝土内水分的不同传输机理的基础上,建立了干湿交替下表层混凝土内氯离子传输模型。利用建立的模型和试验测得的基本材料参数进行了数值计算,计算结果同干湿交替试验中实测的氯离子含量分布吻合较好,证明了干湿交替下表层混凝土内氯离子传输模型的正确性和考虑干湿交替过程水分本身传输的重要性。研究表明干湿交替下混凝土内氯离子入侵比永久浸没于氯盐溶液中的混凝土要严重得多。这为解决处于干湿交替环境下的混凝土结构氯离子腐蚀问题提供了理论指导。
    唐云清[17]以均质连续介质为假设建立高强混凝土多孔介质徐变数值模型,分析不同双轴应力组合对徐变效应的影响,以获得高强混凝土在双轴应力状态下的徐变发展规律,同时开展高强混凝土双轴徐变试验论证。计算结果和试验结果均表明徐变系数和应力状态密切相关,双轴应力状态下混凝土徐变系数小于单轴应力状态,且竖向应力对徐变系数影响较大。
    张晓东[18]采用虚拟裂缝模型模拟混凝土非线性断裂行为,针对二维四边形单元推导了详细的有限元列式。采用3种方案对非线性方程系统进行求解,通过对带初始边缘裂纹的单向拉伸混凝土板的数值模拟,对3种求解方案的计算结果进行了分析和讨论,3种计算方案均取得了较好的效果,并且计算过程中无需对网格进行重新划分。
    周新刚[19]基于氯离子在混凝土结构中的扩散传输理论,建立了氯离子扩散传输偏微分方程,讨论了边界与初始条件。并建立了氯离子在混凝土中扩散传输的离散方程,编制了计算程序对氯离子在混凝土中的传输进行了模拟。模拟结果表明有限体积法可以很好地模拟氯离子在混凝土中的扩散传输,可以分析计算复杂边界条件下的混凝土内的氯离子分布,并对受氯离子侵蚀混凝土结构的使用寿命进行预测分析。
    郭利霞[20]在前人研究基础之上,通过分析混凝土冻融特性,提出了随龄期变化的力学特性模型,并利用三维有限元仿真计算程序,对混凝土施工期可能产生的冻融破坏过程进行数值模拟,计算结果与实际冻胀开裂规律一致,为工程施工过程设计提供理论依据。
2.3  数值模拟在混凝土流变性能研究中的应用
    众所周知,在泵送混凝土过程中,混凝土料本身、混凝土料与管壁之间的相互作用是一个非常复杂的课题。为解决复杂条件下混凝土的泵送施工问题,有必要采用计算机仿真模拟结合大量试验的方法进行研究。泵送混凝土在国内使用的时间不长,相关的资料和经验总结以及实验研究的成果仍十分有限。尽管对宾汉型流体的数值模拟已经在石油、化工和机械等行业有较多的应用,但在泵送混凝土方面在国内尚未有效开展。
    田正宏[21]用卡波姆凝胶配制与流变混凝土浆体流变性能等效的透明浆体,通过可视化物模试验模拟得到流变混凝土骨料运动规律。分析了拌合物流动过程形变和振动骨料沉降特点及其形成机理,试验结果表明流变混凝土基于等效流变性能的可视化模拟方法可行,并且该方法能直观获取骨料沉降运动规律和速度场、位移场等运动形态参数,为深入研究流变混凝土本构关系及颗粒接触模型提供了基础。
    段化垒[22]采用计算流体力学商业软件FLOW-3D对自密实混凝土的工作性能进行研究。将自密实混凝土拌合物看作均匀单一流体,其本构关系采用宾汉姆模型,流变性能由屈服应力和塑性黏度两个参数控制。通过对坍落度试验、L型仪试验和U型箱试验的数值模拟,并且结合相应的试验,考察水胶比、砂率和减水剂三种因素对自密实混凝土的工作性能的影响,数值模拟结果可以与试验结果较好的吻合。
    宋军华[23]基于PFC2D的自定义接触平台,建立能表征新拌混凝土微观结构的离散元接触模型。并进行了多种工况下的散体堆积实验并与离散元模拟对比。采用离散元分别模拟了塌落度、L箱流动、V型箱流动、U型箱流动等新拌混凝土流变学行为,并与部分实验进行对比,研究结果表明自定义滚动摩擦接触模型能更好的模拟混凝土中粗骨料间的相互作用,通过参数调整,离散元能够模拟新拌混凝土的流变学行为,并进而模拟新拌混凝土在管道中的流动特性以及与泵送管道的相互作用规律。

3 数值模拟在混凝土工程中应用面临的主要问题
    作为一门交叉学科,数值模拟方法的发展受限于数学、物理、计算机等学科的制约,另外,在混凝土工程领域应用数值模拟的研究方法时间还不长,应用相对不成熟,本身还存在一些问题:
    1)   数值模拟的主观性问题。数值模拟的对象本身就是主观上基于理论上的假设,是将研究对象通过理论模型进行一定简化形成的“数值混凝土”,通常将其简化为骨料、过渡区、水泥石三相复合材料模型,并通过计算机展开“数值混凝土”的研究,并且数值模拟过程中的初始条件及边界条件等都是主观性的;
    2)   数值模拟结果可靠性问题。数值模拟方法在模拟分析过程中,对边界条件和混凝土结构的简化,或多或少对分析结果产生影响,而且混凝土结构离散化的形式不同,得到的结果和精度也不同,随机性比较大,可信度降低。
    3)   如何建立适合混凝土结构的数理模型,如何选取边界条件及参数以及如何判断模拟结果在科研层面上的可信性,这些还有待于定出一套类似解析解的论证方法。

4 小结
    本文概括总结了仅10年来数值模拟在混凝土性能研究中的发展情况,可以看出数值模拟检验并预测了混凝土结构宏观及微观层次损伤模型,对混凝土科学的发展起了推动作用,但是数值模拟在混凝土流变学特性方面研究还不多也不够深入,相信随着计算机和数值模拟技术的发展,数值模拟在混凝土工程中应用会越来越广泛。
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作者:王模弼 梁丽敏 李世华 田帅
信息来源:混凝土视频网   
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