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基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法。基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，步驟如下：(1)混凝土組構(gòu)成分及比例鑒定；(2)各單成分試樣制備；(3)各單成分試樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)；(4)建立各單成分試樣的應(yīng)力松弛模型；(5)反演獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù)；(6)混凝土試樣按成分比例的隨機(jī)幾何建模；(7)混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計算預(yù)測。本發(fā)明可以模擬實(shí)際混凝土工程的實(shí)際成分組成情況,不僅限于實(shí)驗(yàn)室尺度；應(yīng)用范圍廣泛。
【專利說明】基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在計算大體積混凝土因溫度變化引起的內(nèi)部應(yīng)力，以及利用大壩原型觀測資料分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力中，混凝土的應(yīng)力松弛問題都十分重要。應(yīng)力松弛還影響因收縮引起的混凝土抗裂性及超靜定結(jié)構(gòu)因支座變位引起的應(yīng)力重分布?；炷恋膽?yīng)力松弛是指材料在恒定應(yīng)變作用下，應(yīng)力隨時間增長而衰減的性質(zhì)。產(chǎn)生應(yīng)力松弛的原因是由于材料的熱運(yùn)動，使得變形由彈性變形全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，從而減小了彈性變形相應(yīng)的應(yīng)力。因此，混凝土的應(yīng)力松弛性質(zhì)對于工程穩(wěn)定是一個十分重要的問題。
[0003]目前國內(nèi)外對于混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)的研究是一個難點(diǎn)，大多是基于實(shí)驗(yàn)室的小試塊應(yīng)力松弛試驗(yàn)，尺寸一般在50挪以下。由于尺寸效應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)室小試塊應(yīng)力松弛試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果很難應(yīng)用于實(shí)際工程中。
[0004]為此，本發(fā)明提供一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法。該發(fā)法先通過試驗(yàn)得到每種組構(gòu)成分的應(yīng)力松弛性質(zhì)，再根據(jù)巖石中各種成分組成的比例，通過數(shù)值模擬方法計算得到混凝土整體應(yīng)力松弛力學(xué)性質(zhì)，有望在混凝土工程應(yīng)力松弛預(yù)測方面取得較好地結(jié)果。
[0005]目前國內(nèi)相關(guān)混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)研究方法的研究現(xiàn)狀如下:
[0006]1、《混凝土的彈性模量、徐變度與應(yīng)力松弛系數(shù)》一文介紹了提出了混凝土彈性模量、徐變度和應(yīng)力松弛系數(shù)的一套計算公式(參見《水利學(xué)報》1985年第9期，作者:朱伯芳)，該方法未考慮混凝土組構(gòu)成分比例的影響，是一種經(jīng)驗(yàn)公式的計算方法；
[0007]2、《大體積混凝土的應(yīng)力松弛》一文介紹了通過大體積混凝土密封試件松弛試驗(yàn)得出松弛試驗(yàn)曲線，與各種松弛系數(shù)計算方法所得結(jié)果進(jìn)行比較，推薦較好的松弛系數(shù)計算方法.(參見《水利學(xué)報》1989年第1期，作者:黃國興，等)，該方法的試件尺寸為
15X450111的圓柱形,但局限于只能反映實(shí)驗(yàn)室小試塊的應(yīng)力松弛性質(zhì)；
[0008]3、《混凝土早期約束應(yīng)力發(fā)展及應(yīng)力松弛》一文采用仿制開發(fā)的溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，對混凝土在100%單軸約束條件下自生約束應(yīng)力的發(fā)展及早期應(yīng)力松弛進(jìn)行了研究。(參見《清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版))^2010年第3期，作者:李飛，等)，該文的試件為水平澆注長1000111111、截面為100111111的梁式試件，但也沒有考慮混凝土組構(gòu)成分比例的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0011]基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，步驟如下:
[0012](1)、混凝土組構(gòu)成分及比例鑒定
[0013](2)、各單成分試樣制備
[0014](3)、各單成分試樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)
[0015](4)、建立各單成分試樣的應(yīng)力松弛模型
[0016](5)、反演獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù)
[0017](6)、混凝土試樣按成分比例的隨機(jī)幾何建模
[0018](7)、混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計算預(yù)測。
[0019]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0020]1、以單成分試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)及組構(gòu)成分比例為基礎(chǔ)，計算獲得混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)，可以模擬實(shí)際混凝土工程的實(shí)際成分組成情況，不僅限于實(shí)驗(yàn)室尺度；
[0021]2、該發(fā)明方法可廣泛應(yīng)用于土木、水電、交通、能源等領(lǐng)域的混凝土力學(xué)性能研究，應(yīng)用范圍廣泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法流程示意圖；
[0023]圖2為應(yīng)力松弛曲線性質(zhì)示意圖；
[0024]圖3為模型示意圖；
[0025]圖4為西原模型示意圖；
[0026]圖5為混凝土方型試樣的網(wǎng)格單元隨機(jī)分布示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，步驟如下:
[0028]1、混凝土組構(gòu)成分及比例鑒定，具體方法如下:
[0029]查明混凝土的組構(gòu)成分及體積配合比，作為幾何網(wǎng)格建模的比例依據(jù)；
[0030]比如:某混凝土試樣體積配合比為:水泥:粉煤灰:砂:石=0.2:0.1:0.2:0.5 ；再比如:某混凝土試樣體積配合比為:水泥砂漿:粗骨料=0.5:0.5；
[0031]2、各單成分試樣制備，具體方法如下:
[0032]采集各單成分試樣分別加工成直徑與高度之比為1:2的圓柱形試樣，要求圓柱形試樣兩端面的不平整度偏差為^0.05毫米，以消除試樣離散性的影響；也可以制備成150111111^ 150111111^ 150111111的方型試樣或更大尺寸的試樣；
[0033]3、各單成分試樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，具體方法如下:
[0034]采用三軸流變儀進(jìn)行單軸或多軸的應(yīng)力松弛試驗(yàn)；圍壓和軸向應(yīng)變施加水平可根據(jù)實(shí)際混凝土的瞬時力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，一般地，圍壓0 3可取0?50即3，軸向應(yīng)變^ ！可取試樣瞬時抗壓強(qiáng)度對應(yīng)軸向應(yīng)變的60%?90% ；
[0035]例如:制作一個直徑50臟高度100臟的試樣，安置在流變儀中進(jìn)行試驗(yàn)，先施加圍壓0 3 = 51？3，然后施加軸向應(yīng)變8 1并保持恒定，持續(xù)加載3?15天，觀測并記錄軸向應(yīng)力0工和橫向應(yīng)力0 3，觀測0工?〖關(guān)系曲線和試樣破裂情況；
[0036]4、建立各單成分試樣的應(yīng)力松弛模型，具體方法如下:
[0037]根據(jù)單成分試樣的應(yīng)力松弛試驗(yàn)曲線(見圖2)，分析松弛特征，建立相應(yīng)的應(yīng)力松弛力學(xué)模型；
[0038]如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出完全松弛特性，即應(yīng)力隨時間增長逐漸減小到0，可以選用模型，見圖3 ；如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出不完全松弛特性，即應(yīng)力隨時間增長逐漸減小到不為0的常數(shù)，可以選用西原模型，見圖4 ；
[0039]模型的應(yīng)力松弛方程為:
「00401 0'- 6--—-[(- -(-1-,)-- (― - (7, ) -
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[0041]西原模型的應(yīng)力松弛方程為:
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[0043]其中，1)11?
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[0044]5、反演獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù)，具體方法如下:
[0045]根據(jù)上述建立的應(yīng)力松弛模型，采用最小二乘法參數(shù)反演方法獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù)；即通過不斷調(diào)整力學(xué)參數(shù)，使計算曲線逐漸逼近試驗(yàn)曲線，通過多步迭代計算如果計算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，擬合誤差在設(shè)定的范圍之內(nèi)，即認(rèn)為該參數(shù)為最終所求的應(yīng)力松弛參數(shù)；
[0046]6、混凝土試樣按成分比例的隨機(jī)幾何建模，具體方法如下:
[0047]根據(jù)實(shí)際混凝土試樣的幾何尺寸，在數(shù)值軟件中建立相應(yīng)的幾何模型，并剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸小于11^ ；根據(jù)混凝土試樣成分的不同，將網(wǎng)格單元劃分為不同的材料分組，每一個網(wǎng)格單元的材料分組隨機(jī)設(shè)置，但保證所有網(wǎng)格單元的整體數(shù)量按照組構(gòu)成分的比例分布；
[0048]比如，一種混凝土試樣由三種不同組構(gòu)成分六、8、?:組成，六:8:0 = 5%:75%:20%；如圖5所示，八成分由綠色單元表示，8成分由紅色單元表示，?:成分由藍(lán)色單元表示，每種成分的網(wǎng)格單元在整體空間中隨機(jī)分布，但三種成分的網(wǎng)格單元總數(shù)等于整個試樣的網(wǎng)格單元數(shù)；
[0049]7、混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計算預(yù)測，具體方法如下:
[0050]將上述步驟獲得的單成分試樣的應(yīng)力松弛模型和應(yīng)力松弛參數(shù)應(yīng)用到混凝土試樣的網(wǎng)格模型中，用數(shù)值軟件進(jìn)行應(yīng)力松弛計算，可以得到混凝土試樣的應(yīng)力松弛計算曲線，從而對混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。
【權(quán)利要求】
1.一種基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，步驟如下: (1)、混凝土組構(gòu)成分及比例鑒定 (2)、各單成分試樣制備 (3)、各單成分試樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn) (4)、建立各單成分試樣的應(yīng)力松弛模型 (5)、反演獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù) (6)、混凝土試樣按成分比例的隨機(jī)幾何建模 (7)、混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計算預(yù)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，混凝土組構(gòu)成分及比例鑒定，具體方法如下:查明混凝土的組構(gòu)成分及體積配合比，作為幾何網(wǎng)格建模的比例依據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，各單成分試樣制備，具體方法如下:采集各單成分試樣分別加工成直徑與高度之比為I:2的圓柱形試樣，要求圓柱形試樣兩端面的不平整度偏差為±0.05毫米，以消除試樣離散性的影響；也可以制備成150mmX 150mmX 150mm的方型試樣或更大尺寸的試樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，各單成分試樣分別進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，具體方法如下:采用三軸流變儀進(jìn)行單軸或多軸的應(yīng)力松弛試驗(yàn)；圍壓和軸向應(yīng)變施加水平可根據(jù)實(shí)際混凝土的瞬時力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，一般地，圍壓σ 3可取O?50MPa，軸向應(yīng)變ε ι可取試樣瞬時抗壓強(qiáng)度對應(yīng)軸向應(yīng)變的 60%?90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，建立各單成分試樣的應(yīng)力松弛模型，具體方法如下:根據(jù)單成分試樣的應(yīng)力松弛試驗(yàn)曲線，分析松弛特征，建立相應(yīng)的應(yīng)力松弛力學(xué)模型；如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出完全松弛特性，即應(yīng)力隨時間增長逐漸減小到0，可以選用Burgers模型；如果應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)出不完全松弛特性，即應(yīng)力隨時間增長逐漸減小到不為O的常數(shù)，可以選用西原模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，反演獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù)，具體方法如下:根據(jù)上述建立的應(yīng)力松弛模型，采用最小二乘法參數(shù)反演方法獲得單成分試樣的應(yīng)力松弛參數(shù)；即通過不斷調(diào)整力學(xué)參數(shù)，使計算曲線逐漸逼近試驗(yàn)曲線，通過多步迭代計算如果計算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，擬合誤差在設(shè)定的范圍之內(nèi)，即認(rèn)為該參數(shù)為最終所求的應(yīng)力松弛參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，混凝土試樣按成分比例的隨機(jī)幾何建模，具體方法如下:根據(jù)實(shí)際混凝土試樣的幾何尺寸，在數(shù)值軟件中建立相應(yīng)的幾何模型，并剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸小于Imm ;根據(jù)混凝土試樣成分的不同，將網(wǎng)格單元劃分為不同的材料分組，每一個網(wǎng)格單元的材料分組隨機(jī)設(shè)置，但保證所有網(wǎng)格單元的整體數(shù)量按照組構(gòu)成分的比例分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于細(xì)觀組構(gòu)模擬的混凝土應(yīng)力松弛性質(zhì)預(yù)測方法，其特征在于，混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)計算預(yù)測，具體方法如下:將上述步驟獲得的單成分試樣的應(yīng)力松弛模型和應(yīng)力松弛參數(shù)應(yīng)用到混凝土試樣的網(wǎng)格模型中，用數(shù)值軟件進(jìn)行應(yīng)力松弛計算，可以得到混凝土試樣的應(yīng)力松弛計算曲線，從而對混凝土試樣的應(yīng)力松弛性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。
【文檔編號】G01N33/38GK104280534SQ201410534529
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】楊文東, 張如林, 黃思凝 申請人:中國石油大學(xué)(華東)