一般情況下，根據(jù)特征尺寸和研究方法側(cè)重點(diǎn)的不同，將混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)視為微觀(Micro—leve1)、細(xì)觀(Meso—leve1)和宏觀(Macro—leve1)3個(gè)層次。長期以來，人們對(duì)于混凝土的研究主要是基于宏觀層次展開，對(duì)于混凝土材料和構(gòu)件的損傷和宏觀力學(xué)性能的劣化直至破壞全過程的機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)模型和計(jì)算方法都是基于此。以上主要是通過實(shí)驗(yàn)的方法研究混凝土材料的力學(xué)行為，但由于實(shí)驗(yàn)周期較長，需要耗費(fèi)大量的人力和物力，得出的結(jié)論與所選取的材料、實(shí)驗(yàn)條件關(guān)系很大，使得實(shí)驗(yàn)成果相對(duì)離散，難以真實(shí)反映實(shí)際混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)。對(duì)混凝土性能的研究除了從宏觀的角度進(jìn)行研究之外，更關(guān)鍵的還應(yīng)該從混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)人手，利用數(shù)值模擬的研究方法，抓住混凝土材料組成及其力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)成果建立數(shù)值模型，對(duì)混凝土材料的力學(xué)性能和破壞過程進(jìn)行研究，才能更好地分析混凝土破壞過程的實(shí)質(zhì)。細(xì)觀力學(xué)的興起與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為此提供了理論和技術(shù)支持。

　　1、數(shù)值模型的建立

　　1、1細(xì)觀力學(xué)

　　材料細(xì)觀力學(xué)研究宏觀均勻但細(xì)觀非均勻的介質(zhì)，采用多尺度力學(xué)理論，目的就是基于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的信息，尋找宏觀均勻材料的有效性能，其基本思想是“均勻化”。對(duì)于彈性問題，從細(xì)觀尺度的應(yīng)力、應(yīng)變場出發(fā)，通過應(yīng)力和應(yīng)變體積平均值之間的關(guān)系確定材料的有效彈性性能，從而用均勻化后的介質(zhì)代替原非均勻介質(zhì)。

　　細(xì)觀力學(xué)是雙尺度的力學(xué)結(jié)構(gòu)。選取的基本單元被稱為代表性體積單元，簡稱RVE，需要滿足尺度的二重性——宏觀足夠小，微觀足夠大。代表性體積單元是非均勻和無序材料的集合。

　　在一般情況下，不能掌握非均勻復(fù)合材料代表性體積單元微結(jié)構(gòu)的性態(tài)和分布的全部信息，因此只能根據(jù)一些假定來對(duì)材料的已知信息進(jìn)行均勻化。均勻化的目的就是確定非均勻材料的等效軍援介質(zhì)特征，根據(jù)局部笨狗關(guān)系和相關(guān)的局部變量表達(dá)式，得到描述RVE整體特征的宏觀量。

　　1、2混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析方法

　　細(xì)觀力學(xué)將混凝土看作是由粗骨料、硬化水泥膠體以及兩者之間的界面粘結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料。選擇適當(dāng)?shù)幕炷良?xì)觀結(jié)構(gòu)模型，在細(xì)觀層次上劃分單元，考慮骨料單元、固化水泥砂漿單元及界面單元材料力學(xué)特性的不同，以及簡單的破壞準(zhǔn)則或損傷模型反映單元?jiǎng)偠鹊耐嘶?，利用?shù)值方法計(jì)算模擬混凝土試件的裂縫擴(kuò)展過程及破壞形態(tài)，直觀地反映出試件的損傷斷裂破壞機(jī)理。

　　2、基于細(xì)觀力學(xué)的混凝土數(shù)值模擬研究模型

　　2、1網(wǎng)絡(luò)模型

　　該模型中，連續(xù)介質(zhì)在細(xì)觀尺度上被離散成由彈性桿或梁單元聯(lián)結(jié)而成的格構(gòu)系統(tǒng)，網(wǎng)格一般可由桿單元組成。單元采用簡單的本構(gòu)關(guān)系(如彈脆性本構(gòu)關(guān)系)和破壞準(zhǔn)則，并考慮骨料分布及各相力學(xué)特性分布的隨機(jī)性。計(jì)算時(shí)，在外載作用下對(duì)整體網(wǎng)格進(jìn)行線彈性分析，計(jì)算出格構(gòu)中各單元的局部應(yīng)力，超過破壞閾值的單元將從系統(tǒng)中除去，單元的破壞為不可逆過程。單元破壞后，荷載將重新分配，再次計(jì)算以得出下個(gè)破壞單元。不斷重復(fù)該計(jì)算過程，直至整個(gè)系統(tǒng)完全破壞，各單元的漸進(jìn)破壞即可用于模擬材料的宏觀破壞過程。

　　有關(guān)研究表明，利用格構(gòu)模型模擬由于拉伸破壞所引起的斷裂過程是非常有效的，但用于模擬混凝土等材料在壓縮荷載(包括單軸壓縮和多軸壓縮)作用下的宏觀效應(yīng)時(shí)，結(jié)果不夠理想。另外，用該模型得到的荷載一位移曲線呈脆性，與混凝土的實(shí)際不符。實(shí)際上，格構(gòu)模型采用的桿單元的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則較為簡單，不能反映單元實(shí)際變形形態(tài)，單元的破壞為不可逆過程，因而很難反映卸載問題。

　　2、2粒子模型

　　隨機(jī)粒子模型假定混凝土是由基質(zhì)和骨料組成的兩相復(fù)合材料。在數(shù)值模型中，首先按照混凝土中實(shí)際骨料的粒徑分布，在基質(zhì)中隨機(jī)地生成混凝土的非均勻細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，骨料用一些隨機(jī)分布的剛性的圓形(或者球體)顆粒來模擬;然后，將混凝土上的兩個(gè)相(基質(zhì)和骨料)都劃分成三角形的桁架單元，對(duì)于位于不同相中的單元賦予相應(yīng)的材料力學(xué)參數(shù)，此時(shí)每個(gè)單元是均勻的，只能表征一個(gè)相。Cundall最初假設(shè)骨料是剛性的，此后，Bazant Z P等訓(xùn)的隨機(jī)粒子模型假定基體和骨料都是彈性的，不發(fā)生破壞，通過假定顆粒周圍的接觸層(基體相)具有拉伸應(yīng)變軟化特征來模擬混凝土的斷裂過程。該模型假定過渡層只傳遞顆粒軸向的應(yīng)力，忽略了基質(zhì)傳遞剪切力的能力，當(dāng)過渡層的應(yīng)變達(dá)到給定的拉伸應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線按照線性應(yīng)變軟化曲線來表示。

　　2、3微平面模型

　　所謂微平面模型是指材料各個(gè)方向上的法向應(yīng)力、體積應(yīng)力、偏應(yīng)力和剪應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之間的關(guān)系。該模型用矢量而不是張量來描述材料的本構(gòu)關(guān)系。微平面模型的實(shí)質(zhì)是認(rèn)為在細(xì)觀尺度下裂紋的開裂方向是任意的，對(duì)于普通混凝土而言，裂紋經(jīng)常穿過骨料周圍，裂紋穿過的路徑稱為微平面，而微平面上的應(yīng)變與總應(yīng)變動(dòng)態(tài)相關(guān)因此，可以用微平面上的正應(yīng)變或者剪應(yīng)變作為表征損傷的內(nèi)變量。微平面模型在概念上是非常明確的，表征了混凝土的損傷與裂紋擴(kuò)展路徑有關(guān)。Bazant Z P等在該模型的基礎(chǔ)上，提出了描述混凝土動(dòng)態(tài)行為時(shí)考慮斷裂速率和裂縫影響的微平面模型

　　2、4隨機(jī)骨料隨機(jī)參數(shù)模型

　　目前工程上常用的混泥土以碎石混凝土居多。碎石混混凝土在二維上表現(xiàn)為多邊形，因此可以用隨機(jī)分布的多邊形來模擬梁構(gòu)建橫截面上骨料的分布。首先用蒙特卡洛法產(chǎn)生均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)，然后以這些骨料結(jié)構(gòu)來反應(yīng)混凝土材料的非均質(zhì)性。

　　當(dāng)受力構(gòu)建帶有裂縫的時(shí)候，裂縫尖端附近區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)應(yīng)力或應(yīng)變的奇異性，可采用奇異單元等方法對(duì)這樣的構(gòu)建進(jìn)行比較精確的分析。當(dāng)這些局部區(qū)域的單元?jiǎng)澐州^小時(shí)，具有足夠的精度。通常采用矩形和三角形這兩種單元相結(jié)合的方法，將裂縫附近區(qū)域加密，直至精度滿足要求為止。

　　2、5剛體-彈簧模型

　　骨料在試件內(nèi)的分布是隨機(jī)的，沒有固定的模式，骨料的分布對(duì)裂紋的開展與傳播、試件破壞路徑及極限荷載均有不同程度的影響。因此，王寶庭等在細(xì)觀上將混凝土看成是由粗骨料顆粒與硬化水泥漿體組成的兩相非均勻復(fù)合材料，以隨機(jī)顆粒模型代表混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，采用適宜處理偽裂紋行為的剛體一彈簧模型，建立起混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。Hikosaka H等也曾采用剛體-彈簧模型研究了混凝土材料的細(xì)觀斷裂，但該模型中的彈性系數(shù)難以確定。

　　從上述模型的特點(diǎn)來看，首先，都是從混凝土的細(xì)觀層次出發(fā)，將混凝土假設(shè)為兩相(由基質(zhì)和骨料組成)或三相(基質(zhì)、骨料及其過渡層)復(fù)合材料，對(duì)于不同相中的單元賦以不同的力學(xué)參數(shù)，以此來體現(xiàn)混凝土試樣細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)的非均勻性。

　　3、結(jié)論

　　由于混凝土材料成分的復(fù)雜、多變，基于細(xì)觀層次的研究是相當(dāng)重要而且十分必要的。但是，由于這一領(lǐng)域的多學(xué)科交叉性，使得其研究相當(dāng)困難。雖然2O年來這方面的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍存在著許多需要研究的問題。不過，混凝土材料今后的研究發(fā)展方向，應(yīng)該是注意宏觀與細(xì)、微觀等多尺度的結(jié)合，力學(xué)與材料科學(xué)的結(jié)合，理論分析、實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算的結(jié)合，研究分析與工程應(yīng)用的結(jié)合。