
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250111-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0111
收稿日期:2025-02-21
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
TAN Rijing, REN Huilan*(
), LI Tao
Received:2025-02-21
Online:2025-11-05
摘要: 为研究混凝土中损伤演化过程,采用离散元方法对不同加载模式下含预制裂纹混凝土试件的裂纹起裂和扩展演化过程进行数值模拟。基于混凝土材料中骨料几何特征,构建了具有不规则多面体骨料的三维混凝土离散元模型;并采用平节理模型对4种加载模式下的混凝土试件中裂纹产生和扩展行为进行研究,揭示了混凝土宏观失效破坏的细观损伤机理。结果表明:1) 加载初期,混凝土试件内部裂纹较少,由于压缩应力集中效应影响,剪切裂纹主要聚集在加载端两侧,而预制裂纹尖端则产生拉伸裂纹;加载后期,裂纹沿着骨料边界迅速扩展导致裂纹弯折扩展,加载端附近产生次生裂纹并向试件中部延伸,同时承载高应力的骨料内部出现少量裂纹。2) 加载角从0°增至28°时,预制裂纹尖端处的剪切裂纹占比呈现增加的趋势,体现了混凝土从拉伸破坏到剪切破坏的转变;4种加载模式下拉伸破坏仍是主导混凝土试件破坏的主要因素。3) 加载角度在0°~28°范围内,预制裂纹尖端处的起裂角随加载角增大而增大;采用广义最大切应力准则预测结果在纯Ⅰ型及Ⅰ-Ⅱ混合加载阶段与模拟结果吻合性较好,在纯Ⅱ型加载下预测结果偏高。
檀日晶, 任会兰, 李涛. 混凝土中裂纹起裂和损伤演化的离散元模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250111-.
TAN Rijing, REN Huilan, LI Tao. Discrete Element Simulation if Crack Initiation and Damage Evolution in Concrete[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250111-.
| 参数 | 水泥砂浆 | 骨料 | ITZ |
|---|---|---|---|
| 弹性模量Ec/GPa | 2 | 4 | 1.2 |
| 抗拉强度σt/MPa | 8.5 | 20 | 5.1 |
| 粘结强度c/MPa | 13.5 | 35 | 8.1 |
表1 平节理模型细观参数
Table 1 Parameters of Flat-Joint Model contacts
| 参数 | 水泥砂浆 | 骨料 | ITZ |
|---|---|---|---|
| 弹性模量Ec/GPa | 2 | 4 | 1.2 |
| 抗拉强度σt/MPa | 8.5 | 20 | 5.1 |
| 粘结强度c/MPa | 13.5 | 35 | 8.1 |
| 模型 | 0° | 10° | 18° | 28° |
|---|---|---|---|---|
| 试验/kN | 15.7 | 16.3 | 15.9 | 13.6 |
| 模型1/kN | 16.4 | 15.1 | 14.3 | 12.8 |
| 模型2/kN | 15.3 | 14.6 | 13.5 | 12.1 |
| 模型3/kN | 15.5 | 15.0 | 13.8 | 12.0 |
| 均值/kN | 15.7 | 14.9 | 13.8 | 12.3 |
| 误差/% | 0 | 9.3 | 13.2 | 9.5 |
表2 试验和数值计算的峰值载荷
Table 2 Comparison of experimental and numerical peak loads
| 模型 | 0° | 10° | 18° | 28° |
|---|---|---|---|---|
| 试验/kN | 15.7 | 16.3 | 15.9 | 13.6 |
| 模型1/kN | 16.4 | 15.1 | 14.3 | 12.8 |
| 模型2/kN | 15.3 | 14.6 | 13.5 | 12.1 |
| 模型3/kN | 15.5 | 15.0 | 13.8 | 12.0 |
| 均值/kN | 15.7 | 14.9 | 13.8 | 12.3 |
| 误差/% | 0 | 9.3 | 13.2 | 9.5 |
| 项目 | 0° | 10° | 18° | 28° |
|---|---|---|---|---|
| GMTS/(°) | 0 | 16.9 | 33.7 | 59 |
| 试验/(°) | 4.4 | 17.4 | 29.2 | 49.1 |
| 模型1/(°) | 1.0 | 18.5 | 28.5 | 51.0 |
| 模型2/(°) | 0.6 | 17.9 | 28.3 | 49.0 |
| 模型3/(°) | 1.3 | 17.4 | 33.2 | 52.3 |
| 均值/(°) | 1.0 | 17.9 | 30.0 | 50.8 |
| 误差1/% | 5.9 | 10 | 13.9 | |
| 误差2/% | 2.8 | 2.6 | 1.7 |
表3 理论预测、试验结果和数值计算起裂角对比
Table 3 Comparison of theoretical, experimental and numerical fracture initiation angles
| 项目 | 0° | 10° | 18° | 28° |
|---|---|---|---|---|
| GMTS/(°) | 0 | 16.9 | 33.7 | 59 |
| 试验/(°) | 4.4 | 17.4 | 29.2 | 49.1 |
| 模型1/(°) | 1.0 | 18.5 | 28.5 | 51.0 |
| 模型2/(°) | 0.6 | 17.9 | 28.3 | 49.0 |
| 模型3/(°) | 1.3 | 17.4 | 33.2 | 52.3 |
| 均值/(°) | 1.0 | 17.9 | 30.0 | 50.8 |
| 误差1/% | 5.9 | 10 | 13.9 | |
| 误差2/% | 2.8 | 2.6 | 1.7 |
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