基于内聚力模型的新旧混凝土粗糙界面剪切性能仿真分析

Numerical study on shear properties of rough interface between new-to-old concrete based on cohesive zone model

摘要

新旧混凝土界面粗糙程度是影响其剪切性能的关键因素之一。本研究基于分形理论，表征与量化了新旧混凝土界面的粗糙度，并采用蒙特卡罗方法和骨料级配理论，建立了不同分形维数界面的新旧混凝土随机骨料几何模型。通过局部嵌入零厚度内聚力单元模拟粗糙界面的力学行为，分析了网格尺寸、骨料随机分布、分形维数、法向压力、界面材料参数对新旧混凝土粗糙界面剪切性能的影响。结果表明：模型网格尺寸和骨料随机分布形式对新旧混凝土界面剪切性能没有显著影响；随着分形维数的增加，界面抗剪强度先增大后减小，同时法向压力越大，抗剪强度最大值对应的分形维数逐渐减小；相同分形维数下，抗剪强度随法向压力增加呈线性增长的趋势，法向压力相比于分形维数对界面抗剪强度的影响更加显著；当分形维数越大时，裂纹更易向旧混凝土区域深处进行延展，同时增加新旧界面强度、断裂能大小能有效提高界面的剪切性能。

Abstract

The roughness of the interface between new and old concrete is one of the key factors that affect its shear performance.In this paper，the roughness of the new and old concrete interface is characterized and quantified based on fractal theory.Different fractal dimension interfaces of new and old concrete random aggregate geometric models are established using the Monte Carlo method and aggregate grading theory.By simulating the mechanical behavior of rough interfaces using zero-thickness cohesive elements locally embedded in the model，the effects of mesh size，random distribution of aggregates，fractal dimension，normal pressure，and interface material parameters on the shear performance of rough interfaces between new and old concrete are analyzed.The results show that the model's mesh size and random distribution of aggregates have no significant effect on the shear performance of the interface between new and old concrete.As the fractal dimension increases，the interface shear strength first increases and then decreases，and the fractal dimension corresponding to the maximum shear strength decreases as the normal pressure increases.Under the same fractal dimension，the shear strength increases linearly with the normal pressure.The normal pressure has a more significant impact on the interface shear strength compared to the fractal dimension.As the fractal dimension increases，cracks are more likely to propagate deeper into the old concrete area，and increasing the strength and fracture energy of the new and old interface can effectively improve the shear performance of the interface.

关键词

新旧混凝土 / 内聚力模型 / 界面粗糙度 / 分形维数 / 剪切性能

Key words

old and new concrete / cohesive zone model / surface roughness / fractal dimension / shear property

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51709155)