工學(xué)水利工程畢業(yè)論文 碾壓混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的數(shù)值模擬

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1、湖南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文考籍號(hào)：XXXXXXXXX姓名：XXX專業(yè)：工學(xué)水利工程論文題目：碾壓混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的數(shù)值模擬指導(dǎo)老師：XXX二〇一一年十二月十日摘要：本文在細(xì)觀層次上將碾壓混凝土看成是由硬化水泥粉煤灰砂漿體、粗骨料顆粒及二者間的粘結(jié)帶構(gòu)成的兩相非均質(zhì)復(fù)合材料，以隨機(jī)骨料模型代表碾壓混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，采用有限元技術(shù)模擬了劈拉試件的開裂過(guò)程，所得碾壓混凝土的劈拉強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。為碾壓混凝土破壞機(jī)理的研究、碾壓混凝土力學(xué)性能的數(shù)值模擬提供了新的技術(shù)途徑。關(guān)鍵詞：細(xì)觀復(fù)合材料隨機(jī)骨料模型有限元破壞機(jī)理強(qiáng)度　　碾壓混凝土是一種可用土

2、石壩施工機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸及鋪筑，用振動(dòng)碾壓實(shí)的干硬性混凝土，我國(guó)從1978年開始對(duì)碾壓混凝土筑壩技術(shù)進(jìn)行研究，在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將其廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，于1986年建成我國(guó)第一座高57m的坑口碾壓混凝土重力壩。目前，我國(guó)已建、在建碾壓混凝土壩約43座[１]。碾壓混凝土材料性能的研究是碾壓混凝土筑壩的關(guān)鍵技術(shù)課題之一，碾壓混凝土材料力學(xué)行為的研究，大都建立在試驗(yàn)的研究基礎(chǔ)上，需要花費(fèi)大量的人力、物力，所得試驗(yàn)成果還受試驗(yàn)條件的限制。本文擬采用隨機(jī)骨料模型[２]及數(shù)值模擬技術(shù)，在細(xì)觀層次上探索碾壓混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。1隨機(jī)骨料模型的形

3、成　　本文假定已知級(jí)配的骨料其顆粒形狀為球形，按骨料達(dá)到最優(yōu)密實(shí)度條件的Fuller三維級(jí)配曲線，其級(jí)配曲線表達(dá)式為[３]：Y＝(D0/Dmax)1/2(1)式中：Y為骨料通過(guò)直徑為D０篩孔的重量百分比；Dmax為最大骨料顆粒徑。WalravenJ.C.基于Fuller公式，將三維級(jí)配曲線轉(zhuǎn)化為試件內(nèi)截平面上任一點(diǎn)具有骨料直徑DD0的概率PC(DD0)[４]，其表達(dá)式為：PC(DD0)=Pk[1.065(D0/Dmax)0.5－0.053(D0/Dmax)４－0.012(D0/Dmax)6(2)－0.0045(D0/Dmax)8＋0.0

4、025(D0/Dmax)10式中：Pk為骨料體積占試件總體積的百分比，一般取Pk＝0.75；Dmax為骨料最大粒徑?！　「鶕?jù)不同的D０值，由式(2)可求得概率分布曲線PC(DD0)～D0/Dmax，據(jù)此可求得在試件內(nèi)截平面上各種料徑的顆粒數(shù)?！　∮梢陨辖Y(jié)果，將小于5mm的細(xì)骨料計(jì)入砂漿均質(zhì)體，按各種粗骨料在截面上不相重疊的條件，由蒙特卡洛法，隨機(jī)生成各粗骨料顆粒的形心坐標(biāo)，即可形成隨機(jī)骨料模型?！　≡诒疚闹?，以桃林口水庫(kù)碾壓混凝土劈拉試驗(yàn)為算例進(jìn)行數(shù)值模擬，采用該水庫(kù)碾壓混凝土芯樣尺寸，模擬試件的隨機(jī)骨料模型及尺寸如圖1所示。2有限元程序、計(jì)

5、算網(wǎng)格及材料參數(shù)圖1碾壓混凝土劈拉試件骨料隨機(jī)分布2.1有限元程序　本文利用我院自編的結(jié)構(gòu)分析有限元程序NLFE1，以碾壓混凝土劈拉試件仿真模擬分析為例，進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究。　　　　對(duì)混凝土拌和物的兩個(gè)主要構(gòu)元粗骨料和硬化水泥粉煤灰砂漿分別進(jìn)行試驗(yàn)，都會(huì)出現(xiàn)彈性破壞，而碾壓混凝土本身在破壞前卻表現(xiàn)出非彈性性質(zhì)[５]。因此本文采用碾壓混凝土的各相在破壞前符合彈脆性材料假設(shè)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性關(guān)系。當(dāng)單元體主應(yīng)力大于該相材料強(qiáng)度時(shí)，則單元發(fā)生開裂，程序自動(dòng)用簡(jiǎn)單超余應(yīng)力轉(zhuǎn)移法將超余應(yīng)力轉(zhuǎn)移至相鄰未破壞單元。2.2計(jì)算網(wǎng)格　　在隨機(jī)地生成骨料顆

6、粒系統(tǒng)之后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先要將研究區(qū)域劃分為有限元網(wǎng)格，這將涉及到成千上萬(wàn)個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作則變得極其繁重。特別是對(duì)于需要隨機(jī)改變顆粒組合，反復(fù)進(jìn)行網(wǎng)格剖分的情況下，不尋求某種自動(dòng)或半自動(dòng)的方法，是難以實(shí)現(xiàn)的。