留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

齐翠阁 邱莉婷 马福恒 张湛 李子阳

齐翠阁,邱莉婷,马福恒,等. 大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法[J]. 水利水运工程学报,2023(2):121-128. doi:  10.12170/20220826001
引用本文: 齐翠阁,邱莉婷,马福恒,等. 大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法[J]. 水利水运工程学报,2023(2):121-128. doi:  10.12170/20220826001
(QI Cuige, QIU Liting, MA Fuheng, et al. Concurrent multi-scale domain decomposition simulation of discontinuous deformation of dam concrete[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(2): 121-128. (in Chinese)) doi:  10.12170/20220826001
Citation: (QI Cuige, QIU Liting, MA Fuheng, et al. Concurrent multi-scale domain decomposition simulation of discontinuous deformation of dam concrete[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(2): 121-128. (in Chinese)) doi:  10.12170/20220826001

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

doi: 10.12170/20220826001
基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(Y721002)
详细信息
    作者简介:

    齐翠阁(1976—),女,河南舞钢人,工程师,主要从事水利工程健康诊断研究。E-mail:464748184@qq.com

    通讯作者:

    邱莉婷(E-mail:ltqiu@nhri.cn

  • 中图分类号: TV313

Concurrent multi-scale domain decomposition simulation of discontinuous deformation of dam concrete

  • 摘要: 大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续,而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元,并进行宏细观子区域界面节点重新匹配,建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型,在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟,构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟,不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致,证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。
  • 图  1  内聚力单元的双线性张力位移关系

    Figure  1.  Bilinear traction separation law of cohesive element

    图  2  预嵌零厚度界面单元后的子区域界面节点n匹配情况

    Figure  2.  Collocation of node n after pre-insertion of zero thickness cohesive elements

    图  3  子区域界面的零厚度界面单元间节点的可能匹配情况

    Figure  3.  Different node collocations of zero thickness cohesive elements at sub-domain interface

    图  4  子区域界面零厚度界面单元结点匹配判定方法

    Figure  4.  Node collocation method of zero thickness cohesive elements at sub-domain interface

    图  5  单轴直接拉伸试验(单位:mm)

    Figure  5.  Uniaxial tensile test (unit: mm)

    图  6  单轴直接拉伸试验宏观均质子区域有限元网格

    Figure  6.  Decomposition of the uniaxial tensile test in 9 domains with coarse discretization

    图  7  单轴直接拉伸试验细观非均质子区域随机骨料模型

    Figure  7.  Mesoscopic random aggregate analysis model of uniaxial tensile test specimen

    图  8  单轴直接拉伸试验细观非均质子区域有限元模型

    Figure  8.  Finite element mesh refinement at meso-scale of uniaxial tensile test specimen

    图  9  零厚度界面单元预嵌

    Figure  9.  Pre-insertion of zero thickness cohesive elements

    图  10  几何剖分法试件损伤破坏过程(扩大倍数为30)

    Figure  10.  Damage propagation of geometric subdivision specimen (magnification times: 30)

    图  11  网格投影法试件损伤破坏过程(扩大倍数为30)

    Figure  11.  Damage propagation of mesh projection specimen (magnification times: 30)

    图  12  不同随机骨料模型的应力-位移关系曲线

    Figure  12.  Stress and displacement curves of different tests

    表  1  混凝土细观结构各相与宏观均质结构力学性能参数[12,14,19]

    Table  1.   Mechanical property parameters of concrete meso-structure phases and macroscopic homogeneous structure [12,14,19]

    材料初始弹性模量/GPa泊松比拉伸强度/MPa压缩强度/MPa损伤门槛值梯度参数/mm2材料常数α材料常数β压缩-拉伸强度比
    骨料55.50.166.0066.075.000.1250.99915011
    砂浆26.00.222.5027.59.62×10−50.1250.99915011
    ITZ25.00.162.0022.08.00×10−50.1250.99915011
    宏观30.60.202.5831.88.43×10−53.0000.99915012
    下载: 导出CSV
  • [1] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏, 等. 现场浇筑大坝混凝土起裂断裂韧度研究[J]. 水利学报,2014,45(12):1487-1492

    GUAN Junfeng, LI Qingbin, WU Zhimin, et al. Initial fracture toughness of site-casting dam concrete[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(12): 1487-1492. (in Chinese)
    [2] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏, 等. 现场浇筑大坝混凝土断裂参数与等效成熟度关系研究[J]. 水利学报,2015,46(8):951-959 doi:  10.13243/j.cnki.slxb.20141453

    GUAN Junfeng, LI Qingbin, WU Zhimin, et al. Relationship between fracture parameters with an equivalent maturity of site-casting dam concrete[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2015, 46(8): 951-959. (in Chinese) doi:  10.13243/j.cnki.slxb.20141453
    [3] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏, 等. 确定现场浇筑全级配水工混凝土双K断裂参数的最小试件尺寸[J]. 应用基础与工程科学学报,2016,24(6):1219-1231

    GUAN Junfeng, LI Qingbin, WU Zhimin, et al. Determination of minimum size for double K fracture parameters of site-casting fully-graded hydraulic concrete[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2016, 24(6): 1219-1231. (in Chinese)
    [4] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏. 现场浇筑大坝混凝土与湿筛混凝土起裂韧度换算关系研究[J]. 水利学报,2016,47(11):1435-1441

    GUAN Junfeng, LI Qingbin, WU Zhimin. Conversion relationship between initial fracture toughness of site-casting and sieved concrete[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(11): 1435-1441. (in Chinese)
    [5] 周昌巧, 徐磊, 荆帅召, 等. 原级配和湿筛混凝土断裂性能差异的骨料含量效应[J]. 人民长江,2019,50(9):187-191

    ZHOU Changqiao, XU Lei, JING Shuaizhao, et al. Effect of aggregate contents of original-graded and wet-screened concrete on concrete fracturing behavior[J]. Yangtze River, 2019, 50(9): 187-191. (in Chinese)
    [6] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏. 采用峰值荷载法确定全级配水工混凝土断裂参数[J]. 工程力学,2014,31(8):8-13 doi:  10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0205

    GUAN Junfeng, LI Qingbin, WU Zhimin. Determination of fully-graded hydraulic concrete fracture parameters by peak-load method[J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(8): 8-13. (in Chinese) doi:  10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0205
    [7] 马怀发, 陈厚群, 阳昌陆. 复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验[J]. 土木工程学报,2012,45(7):175-182

    MA Huaifa, CHEN Houqun, YANG Changlu. Numerical tests of meso-scale damage mechanism for full graded concrete under complicated dynamic loads[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(7): 175-182. (in Chinese)
    [8] 卿龙邦, 喻渴来, 徐东强. 基于扩展有限元法的混凝土重力坝宏细观断裂数值分析[J]. 水力发电学报,2017,36(6):94-102

    QING Longbang, YU Kelai, XU Dongqiang. Numerical analysis of macro-meso fractures in concrete gravity dams using extended finite element method[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2017, 36(6): 94-102. (in Chinese)
    [9] 邱莉婷, 马福恒, 沈振中, 等. 大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟[J]. 水利水电技术,2019,50(8):195-202 doi:  10.13928/j.cnki.wrahe.2019.08.024

    QIU Liting, MA Fuheng, SHEN Zhenzhong, et al. Numerical simulation of concurrent multiscale domain decomposition for dam concrete wedge splitting test[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2019, 50(8): 195-202. (in Chinese) doi:  10.13928/j.cnki.wrahe.2019.08.024
    [10] 徐海滨, 杜修力. 基于预插粘性界面单元的全级配混凝土梁弯拉破坏模拟[J]. 建筑科学与工程学报,2014,31(2):99-104

    XU Haibin, DU Xiuli. Numerical simulation for bending fracture of fully-graded concrete beam using cohesive interface elements[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2014, 31(2): 99-104. (in Chinese)
    [11] 冯炜, 贾金生, 陈改新, 等. 大坝混凝土界面力学性能的测试与数值模拟研究[J]. 水利水电技术,2012,43(2):30-34 doi:  10.13928/j.cnki.wrahe.2012.02.012

    FENG Wei, JIA Jinsheng, CHEN Gaixin, et al. Testing and numerical simulation on mechanical properties of dam concrete interface[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2012, 43(2): 30-34. (in Chinese) doi:  10.13928/j.cnki.wrahe.2012.02.012
    [12] 吴贞杰, 夏晓舟, 章青. 黏聚单元嵌入技术及其在混凝土细观分析模型中的应用[J]. 河海大学学报(自然科学版),2017,45(6):535-542

    WU Zhenjie, XIA Xiaozhou, ZHANG Qing. Embedding technique of cohesive element and its application in concrete mirco-level analysis model[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2017, 45(6): 535-542. (in Chinese)
    [13] 林力, 杨鑫平, 常晓林, 等. 基于内聚力模型的粉煤灰混凝土细观开裂研究[J]. 人民长江,2018,49(20):81-86,100 doi:  10.16232/j.cnki.1001-4179.2018.20.016

    LIN Li, YANG Xinping, CHANG Xiaolin, et al. Research on meso-cracking of fly ash concrete based on cohesive zone model[J]. Yangtze River, 2018, 49(20): 81-86,100. (in Chinese) doi:  10.16232/j.cnki.1001-4179.2018.20.016
    [14] 徐海滨, 杜修力. 基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟[J]. 北京工业大学学报,2014,40(11):1666-1672,1686

    XU Haibin, DU Xiuli. Numerical simulation of mesoscopic tensile fracture process of concrete using the cohesive elements[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2014, 40(11): 1666-1672,1686. (in Chinese)
    [15] 田羽, 张小飞, 吴健, 等. 基于内聚力模型的含畸形骨料混凝土单轴受压细观模拟研究[J]. 河南水利与南水北调,2021,50(8):69-73 doi:  10.3969/j.issn.1673-8853.2021.08.031

    TIAN Yu, ZHANG Xiaofei, WU Jian, et al. Mesoscopic simulation of concrete with deformed aggregate under uniaxial compression based on cohesive zone model[J]. Henan Water Resources & South-to-North Water Diversion, 2021, 50(8): 69-73. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1673-8853.2021.08.031
    [16] 张小飞, 田羽, 覃培, 等. 基于内聚力模型的含畸形骨料混凝土单轴受拉细观模拟研究[J]. 水力发电,2022,48(5):73-77 doi:  10.3969/j.issn.0559-9342.2022.05.014

    ZHANG Xiaofei, TIAN Yu, QIN Pei, et al. Meso simulation of uniaxial tension of concrete with deformed aggregate based on cohesive zone model[J]. Water Power, 2022, 48(5): 73-77. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.0559-9342.2022.05.014
    [17] 熊学玉, 肖启晟. 基于内聚力模型的混凝土细观拉压统一数值模拟方法[J]. 水利学报,2019,50(4):448-462 doi:  10.13243/j.cnki.slxb.20181061

    XIONG Xueyu, XIAO Qisheng. A unified meso-scale simulation method for concrete under both tension and compression based on cohesive zone model[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(4): 448-462. (in Chinese) doi:  10.13243/j.cnki.slxb.20181061
    [18] BORST R D, PAMIN J, PEERLINGS R, et al. On gradient-enhanced damage and plasticity models for failure in quasi-brittle and frictional materials[J]. Computational Mechanics, 1995, 17(1/2): 130-141.
    [19] 刘文彦, 叶文瑛, 葛辉, 等. 东江拱坝全级配混凝土力学性能的试验研究[J]. 水利水电技术,1986,17(5):8-14 doi:  10.13928/j.cnki.wrahe.1986.05.003

    LIU Wenyan, YE Wenying, GE Hui, et al. Experimental study on mechanical properties of fully graded concrete in Dongjiang arch dam[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 1986, 17(5): 8-14. (in Chinese) doi:  10.13928/j.cnki.wrahe.1986.05.003
  • [1] 肖千璐, 张晓华, 郑艳爽, 尚红霞, 丰青.  非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响 . 水利水运工程学报, 2023, (1): 63-71. doi: 10.12170/20211129001
    [2] 范向前, 刘决丁, 葛菲, 汤雷, 韩浩田.  某水利枢纽工程混凝土力学性能对比研究 . 水利水运工程学报, 2023, (2): 129-137. doi: 10.12170/20211115001
    [3] 左其亭, 吴青松, 姜龙, 张伟.  黄河流域多尺度区域界定及其应用选择 . 水利水运工程学报, 2022, (5): 12-20. doi: 10.12170/20210923001
    [4] 邱莉婷, 马福恒, 沈振中, 张湛, 霍吉祥.  混凝土梁四点弯曲试验的并发多尺度区域分解法模拟 . 水利水运工程学报, 2022, (3): 145-152. doi: 10.12170/20210405001
    [5] 费大伟, 黄耀英, 丁倩, 夏世法, 包腾飞.  大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度关系 . 水利水运工程学报, 2021, (3): 25-30. doi: 10.12170/20200521001
    [6] 路洁, 刘晶, 刘明阳, 曹永强, 李玲慧, 宁月.  近55年京津冀地区降水多尺度分析 . 水利水运工程学报, 2020, (6): 23-31. doi: 10.12170/20191019001
    [7] 李健, 王平义, 许百强, 贺小含, 王梅力.  黄河上游连续弯曲多滩险河道整治方案数值分析 . 水利水运工程学报, 2020, (2): 9-14. doi: 10.12170/20190901001
    [8] 吴诗阳, 曹永勇.  基于边界面的多隔舱筒形基础动力分析 . 水利水运工程学报, 2020, (3): 114-121. doi: 10.12170/20190523001
    [9] 魏博文, 袁冬阳, 蔡磊, 温勇兵, 徐镇凯.  基于BP-ARIMA的混凝土坝多尺度变形组合预报模型 . 水利水运工程学报, 2018, (2): 52-60. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.007
    [10] 罗德河, 郑东健.  大坝变形的小波分析与ARMA预测模型 . 水利水运工程学报, 2016, (3): 70-75.
    [11] 孙鹏明, 杨建慧, 杨启功, 徐微, 周雨薇.  大坝空间变形监控指标的拟定 . 水利水运工程学报, 2016, (6): 16-22.
    [12] 李子阳, 马福恒, 华伟南.  多源信息融合诊断大坝安全监测资料合理性 . 水利水运工程学报, 2013, (1): 41-46.
    [13] 钱文勋,张燕迟.  大坝混凝土早期热膨胀系数试验研究 . 水利水运工程学报, 2010, (3): -.
    [14] 钱文勋,张燕迟,蔡跃波,丁建彤.  考虑内部温度历史的大坝混凝土强度发展 . 水利水运工程学报, 2008, (4): -.
    [15] 李克亮,洪晓林.  用并层非均匀单元法分析碾压混凝土拱坝温度应力 . 水利水运工程学报, 2001, (3): 41-47.
    [16] 唐彤芝,李泽崇.  大坝运行期沉降变形的模糊信息分析 . 水利水运工程学报, 2000, (2): 21-25.
    [17] 马福恒,吴中如,顾冲时.  青铜峡大坝电站坝段变形性态分析 . 水利水运工程学报, 2000, (4): 27-31.
    [18] 高作平,甘良绪,刘小明.  新老混凝土界面连接技术 . 水利水运工程学报, 1998, (3): -.
    [19] 丁伟农.  非比例阻尼情况下的振型分解法及其应用 . 水利水运工程学报, 1983, (3): -.
    [20] 赵志仁.  应用水管仪观测大坝的变形 . 水利水运工程学报, 1982, (4): -.
  • 加载中
图(12) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  86
  • HTML全文浏览量:  38
  • PDF下载量:  11
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-26
  • 网络出版日期:  2023-04-03
  • 刊出日期:  2023-04-15

/

返回文章
返回