超声法检测混凝土强度和缺陷的原理 用改良模型分析缺陷混凝土梁的动强度

　　摘 要：改进了传统的数字混凝土建模方法，利用新方法建立了存在初始缺陷的混凝土梁三点弯数值试验模型，随后对所建立的模型进行了3种工况的数值模拟。分析了初始缺陷的存在对混凝土动强度的影响规律，结果显示：在加载初期，加载速率越高，初始缺陷对材料动强度的影响越明显，但是在加载后期此影响减弱；当荷载达到材料的强度点时，不同的加载速率下，初始缺陷对混凝土材料动强度影响均不显著。通过与试验结果的对比，发现改进后的模型计算精度高于传统模型，计算结果更加合理，在工程实际当中能够取代传统的数字混凝土模型。
　　关键词：混凝土；细观模型； 数值模拟； 初始缺陷；动强度；三点弯
　　中图分类号：TU528
　　文献标志码：A
　　文章编号：1674-4764（2012）04-0085-06
　　Numerical Analysis on the Modified Model to the Dynamic Strength of Defective Concrete Beam
　　QIN Yuan1, CHAI Junrui1,2, DANG Faning1
　　(1.College of Hydraulic and Hydropower Engineering，Xi"an University of Technology，Xi"an 710048，P. R. China；
　　2.College of Civil & Hydropower Engineering，Three Gorges University，Yichang 443002， Hubei，P. R. China)
　　Abstract:By improving the traditional digital concrete modeling method, the new defective concrete model was established. Three cases were simulated based on this model. The influence of initial defectiveness on the dynamic strength was investigated. The result shows that: 1) At initial stage, the influence of the initial defectiveness on the dynamic strength becomes more obviously with the increasing of the loading speed; 2) Regardless of the same loading speed, the influence becomes less obviously when the load reaches the strength point of the concrete; 3)The simulation result is compared with the test result, and it is deduced that the new model has higher computational accuracy and the result is more rational, and it can take the place of the traditional digital concrete model in practice.
　　Key words:concrete； microscopic model；numerical simulation；initial defect；dynamic strength； three-point-bending
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　　混凝土大多由人工或者机器搅拌而成，其内部存在天然的初始缺陷（裂缝、孔洞）不可避免。
　　多年来，很多学者对混凝土开展了大量的研究，他们采用的研究方法大致分为2种：试验方法和数值模拟方法。试验方面，Masahiko等［1］利用SIBIE法检测了预应力混凝土模型未灌注均匀区域（即缺陷区域）的分布。为了研究缺陷混凝土梁的开裂规律， Sagar等［2］将声发射技术应用到带有凹槽的三点弯试验中（凹槽可看作外部缺陷）。周继凯等［3-5］则采用全数字化声发射系统采集了混凝土试验中，从加载至最终破坏的声发射特征参数和波形，从声发射试验方面得到了混凝土试件受力破坏时，其内部的裂纹的变化规律。丁卫华等［6-7］将便携式加载设备与CT技术相结合，成功获得了混凝土试件内部初始缺陷的分布状况，以及内部裂纹从萌生到发展的全过程。数值模拟方面，郑丹等［8］提出了基于静力本构和细观缺陷的混凝土动力本构模型，较好的反映了缺陷混凝土的动力特性。马怀发等［9-11］通过对混凝土的声发射凯塞效应的研究，分析了惯性效应、预静载和水的黏性等因素对混凝土材料的损伤滞后特性的影响。Shi等［12-13］通过改变缺陷混凝土梁模型中的外部缺陷的尺寸，并施加连续荷载的方法，分析研究了外部缺陷尺寸对混凝土梁强度的影响。Skarzyński等［14］对外部缺陷混凝土梁的破损区域发展过程进行了数值模拟及试验验证。
　　大部分数值模拟方法偏向于对无缺陷或存在外部缺陷的混凝土试件的研究，而对内部存在的天然初始缺陷研究较少。不少学者通过试验手段真实的描绘出了细观混凝土内部的初始缺陷，但多为定性分析。其次，由于混凝土内部结构随机性强，使试验结果的可重复性低。笔者通过改进传统建模方法，模拟了混凝土内部的天然缺陷，并进行多工况的计算分析。对比试验结果发现改进后模型的计算结果更加贴近试验，可以取代传统的模型。
　　1 模型的建立及参数的选取
　　1.1 模型的建立
　　建立带有初始缺陷的数字混凝土模型流程图如图1所示，其中每个步骤细节描述如下：