在细观层次上 ，混凝土被认为是 由粗 骨料 、砂浆 以及它们之间的黏结带组成的三相非均质复合材料 ，这种复合材料 的性质可通
过混凝土细观随机骨料结构来模 拟。提出一种适合于细观研究的非线性有 限单元法 ，采用结合抗拉强度和开裂韧性的综合破坏准则 ，允许
裂缝扩展 时缝尖单元进行应力重分布 ，并用控制位移增量迭代法揭示混凝土峰值后的软化行为。随后用这一方法仿真模拟混凝土在单轴
受拉和单轴受压时 的整个加载过程 ，在细观层 次研究的基础上揭示 了混凝土 的宏观性能。
关键词 ： 细观层次 ；随机骨料结构 ；非线性有限单元法 ；破坏 准则 ；ANSYS
中图分类号 ： TU528．叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1002—3550(2010)07—0022—03
Application of concrete random aggregate structure in nonlinear finite elem ent analysis
QIUZhi-zhang ，WANGZong-min
(1．Zhejiang Institute ofHydraulics&Estuary，Hangzhou 310020，China；2．Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)
Abstract： Concrete is a composite material witl1 a three-phase ofinhom ogenities in mesoscopic leve1．It is consisting ofcoarse aggregate、mortar
m atrix and interfacial zones between the coarse aggregate and th e m ortar matrix．Using ran dom aggregate structure that resembles the mesoscopic
structure ofconcrete can sim ulate the behavior ofthis materia1．A nonlinear finite element method suitable for mesoscopic study ofconcrete is de—
veloped．A failure criterion combining tensile strength an d fracture toughness is adopted．Stress relief as cracks propagate is also allowed．An incre—
mental displacement controlled iterative scheme t．
hat can deal with post-peak behavior is employed．The method is applied to simulate th e process
ofreal concrete trial under axial strain an d axial stress．It obtains som e behaviors ofmacroscopic concrete by studying at m esoscopic leve1．
Key w ords： mesoscopiclevel；random aggregate structure；nonlinear finite elem entmethod；failure criteria；ANSYS ’
0 引言
在过去长期的研究中，人们为了研究上的方便，往往忽略
混凝土复杂 的内部结构 ，在对材 料宏观本构关 系描述 中 ，采用
唯象学的观点，把它们平均化和均匀化为宏观均匀连续体，并以
试 验结果 为基础发展 了弹性 、弹塑性以及黏弹塑性的混凝土本
构模型[1]。但是，这些模型无法深人了解混凝土在外力作用下内
部微裂纹萌生、扩展及其贯通，直至宏观裂纹形成 ，促使试样失
稳破裂 的整个过程 ，更无法反映混凝土断裂过程中表现 出来 的
变形局部化和应力重分布等基本特征。事实上 ，材料的宏观断裂
过 程必然与其细观的非均匀结构是密切相关的 ，因而 ，进行细观
结构的模拟对于了解混凝土宏观断裂机理是非常有意义的。
从细观层次[21上分析了混凝土内部结构 ，认为混凝土是 由粗骨
料、砂浆以及二者之间的黏结带组成的三相复合材料。采用蒙特卡
罗随机抽样原理嘲，生成一个在尺寸、形状和粗骨料空间分布上都
类似于真实混凝 土的随机骨料结构(以下简称 R．AS，即 Random
AggregateStructure)，借助有限元分析软件 ANSYS，划分细观有限
元网格，并进行混凝土单轴受拉和单轴受压加载全过程的数值模拟。
1 非线性有限元计算模型
1．1 RAS及 其 细观 网格
罗原理 ，基 于“取 和放 ”方法 嗍，编程产生 骨料 颗粒大小 、形状及
空间分布各异，但类似真实混凝土的RAS。其次，对该结构划分
细观有限元网格。本文借助大型有限元分析软件 ANSYS的前
处理功能及 APDL参数化设 计语言 ，分别生 成骨料面 、砂浆 面
和黏结带(包裹着粗骨料，且具有可控制厚度的界面区域)。再
用三结点三角形单元划分骨料面、砂浆面及黏结带单元，分配
不同的材料属性给相应的单元 ，这样便生成可以进行有限元分
析的 RAS细观网格 ，如图 1所示 。

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