本發(fā)明提供一種基于向量追蹤的型鋼混凝土三維七相細觀模型構(gòu)建方法，屬于土木工程。

背景技術(shù)：

1、型鋼混凝土是土木工程行業(yè)常見且重要的的一種結(jié)構(gòu)形式，在民用和軍事工程中有著廣泛的應(yīng)用。研究和分析型鋼混凝土在地震、火災(zāi)、連續(xù)荷載等多種工況下的力學(xué)性能，對于優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高結(jié)構(gòu)安全性和耐久性具有重要的理論和實際意義。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬手段逐漸成為工程研究的關(guān)鍵工具，尤其是在大型工程結(jié)構(gòu)項目中，數(shù)值模擬分析能夠顯著節(jié)省研究中的人力和財力。

2、目前，型鋼混凝土數(shù)值模擬研究正逐步向細觀尺度發(fā)展?，F(xiàn)有技術(shù)中，公布號cn113010940a的發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N型鋼混凝土細觀二維模型方法，該模型包含型鋼、混凝土、砂漿等三相細觀結(jié)構(gòu)。然而，該方法未考慮型鋼與砂漿之間的過渡層、骨料與砂漿之間的過渡層以及骨料的級配分配，這與實際型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有較大差異。公布號cn110442922a的發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N不銹鋼筋混凝土的細觀數(shù)值模型建立方法，該模型包含粗骨料、砂漿、砂漿-粗骨料界面、不銹鋼筋和鋼筋-砂漿黏結(jié)界面等五相細觀結(jié)構(gòu)。盡管該方法考慮了粗骨料的級配分布，但其所建立的骨料形狀為圓形或球形，未能真實反映實際的骨料形狀。此外，公布號cn113962066a的發(fā)明專利提出了一種鋼筋混凝土細觀三維模型方法，該模型包含了凸多面體骨料、砂漿、骨料-砂漿界面層、鋼筋、砂漿-鋼筋黏結(jié)層和氣孔缺陷等六相結(jié)構(gòu)，并考慮了粗骨料級配分布。然而，該方法未能包含型鋼相。綜上所述，目前已有的鋼筋混凝土細觀模型生成方法已趨于完善，但對于型鋼混凝土細觀模型的生成方法很少?，F(xiàn)有技術(shù)在描述型鋼混凝土細觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和準確性方面存在不足，無法全面反映實際工程中的型鋼混凝土情況。因此，迫切需要一種新的方法，以更加精確地構(gòu)建型鋼混凝土的三維細觀模型，彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提升對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)性能的預(yù)測精度和優(yōu)化效果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明旨在解決以下主要技術(shù)問題，按重要性排序如下：

2、(1)粗骨料級配和形狀的模擬不足：現(xiàn)有型鋼混凝土三維細觀模型在粗骨料的級配分布和真實形狀方面的描述不充分，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在較大差異。

3、(2)型鋼與砂漿界面層的缺失：現(xiàn)有模型未能準確描述型鋼與砂漿之間的過渡界面，影響了對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的預(yù)測和分析。

4、(3)多相組分相互作用的簡化處理：傳統(tǒng)模型在多相組分(如粗骨料、砂漿、鋼筋和型鋼等)的相互作用方面處理不夠詳細，限制了模型的精度和適用范圍。

5、(4)模型生成效率低：現(xiàn)有技術(shù)在生成復(fù)雜細觀模型時，計算效率較低，難以快速生成高精度的三維模型。

6、本發(fā)明的主要目的是通過構(gòu)建一種含七相組分的型鋼混凝土三維細觀模型，解決上述技術(shù)問題，具體包括以下目標：

7、(1)提高模擬精度：充分考慮粗骨料的級配和形狀，以及型鋼的真實形狀，以提高模型的真實性和精度。

8、(2)完善界面層描述：增加型鋼-砂漿黏結(jié)界面層的描述，以全面反映各界面層的物理特性和相互作用。

9、(3)實現(xiàn)快速生成模型：基于向量追蹤算法，對各相組分進行碰撞檢查，快速生成型鋼混凝土三維細觀模型。

10、(4)增強模型的應(yīng)用能力：通過改進多相組分的描述和相互作用模擬，使模型能夠更有效地模擬型鋼混凝土的實際破壞特征，為工程應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

11、具體技術(shù)方案為：

12、基于向量追蹤的型鋼混凝土三維七相細觀模型構(gòu)建方法，所述的型鋼混凝土三維七相細觀模型，包括：砂漿、粗骨料、粗骨料-砂漿界面層、鋼筋、砂漿-鋼筋黏結(jié)界面層、型鋼、型鋼-砂漿黏結(jié)界面層；

13、構(gòu)建方法包括以下步驟：

14、步驟1：根據(jù)給定高度、長度和寬度生成長方體基體；

15、步驟2：根據(jù)給定形狀、尺寸生成型鋼以及型鋼-砂漿之間的黏結(jié)層；

16、步驟3：根據(jù)給定位置和尺寸生成鋼筋，并生成鋼筋與砂漿之間的界面層；

17、步驟4：根據(jù)給定形狀和級配生成粗骨料，并生成骨料與砂漿之間的界面層；在基體中依次摻入骨料，并基于向量追蹤算法，對骨料與鋼筋、型鋼以及骨料與骨料之間進行碰撞檢查。

18、進一步的，步驟2具體包括以下子步驟：

19、子步驟2.1，確定型鋼的形狀，箱形型鋼和h形型鋼，型鋼中心與基體中心重合；型鋼的尺寸包括型鋼的高度、寬度和厚度；h型鋼包括腹板和翼緣的厚度；

20、子步驟2.2，通過子步驟2.1確定型鋼的位置，計算xy平面內(nèi)型鋼每個角點位置坐標，采取拉伸的方法生成型鋼；

21、將型鋼劃分為多個長方體；對于h形型鋼，劃分為3個長方體，對于箱形型鋼，劃分為4個長方體。

22、步驟3具體包括以下子步驟：

23、子步驟3.1，在基體四個角生成縱筋，縱筋位置與混凝土保護層厚度相關(guān)；鋼筋的形狀為圓柱體；

24、子步驟3.2，通過子步驟3.1中確定鋼筋的位置，在xy平面生成圓，采取拉伸的方法生成鋼筋。

25、步驟4具體包括以下子步驟：

26、子步驟4.1，確定骨料的形狀；

27、子步驟4.2，確定骨料級配；

28、根據(jù)fuller曲線理論公式和蒙特卡洛隨機概率模型，確定三維空間內(nèi)骨料的級配；fuller曲線公式如下：

29、

30、式中，p為通過篩孔直徑d0的骨料質(zhì)量百分比，dmax為最大骨料粒徑；

31、基于fuller曲線公式，計算每個粒徑范圍內(nèi)的骨料體積：

32、

33、式中，v(di,dj)表示粒徑在di—dj范圍內(nèi)粗骨料的體積，dmin,dmax分別表示最小、最大粗骨料粒徑，pk表示粗骨料占混凝土的體積比，vcon表示混凝土的體積；

34、其中，混凝土的體積表示為：

35、vcon＝length*width*height-sv1-sv2

36、其中，length、width、height分別表示基體的長、寬、高，sv1和sv2分別表示型鋼和鋼筋的體積；

37、根據(jù)上述公式，利用蒙特卡洛隨機法生成符合fuller曲線級配的骨料分布，確保每個粒徑范圍內(nèi)的骨料體積達到預(yù)定值；

38、子步驟4.3：生成骨料。

39、子步驟4.3包括以下步驟：

40、步驟4.3.1，隨機生成骨料；

41、采用子步驟4.2中描述的方法生成單顆骨料的初始坐標，并將骨料投放到基體中；

42、計算骨料坐標，判斷骨料是否在基體內(nèi)部；如果骨料坐標在基體之外，則放棄該骨料，并重新計算坐標；如果骨料在基體內(nèi)部，則認為骨料生成成功，進入下一步；

43、步驟4.3.2，對新投放的骨料與型鋼和鋼筋的碰撞檢查；

44、對新投放的骨料與型鋼和鋼筋進行碰撞檢查；

45、將型鋼拆分為多個長方體；如果是h型鋼，則按照翼緣、腹板的位置拆分為3個長方體，如果是箱形型鋼，則拆分為2個水平和2個豎直的長方體；單根鋼筋是圓柱體，將其化簡為長方體，長方體四個面和圓柱體側(cè)面相切，兩個面和圓柱體上下底面重合；將骨料依次與每個長方體進行碰撞檢測，若碰撞即新骨料與鋼筋或型鋼位置重疊，則放棄該骨料摻入，回到步驟4.3.1，則放棄該骨料并重新計算坐標；如果碰撞檢查通過，則認為骨料生成成功，進入下一步；

46、步驟4.3.3，將新投放的骨料依次與已經(jīng)投放的骨料進行碰撞檢查；

47、如果該骨料是第一個投放的骨料，則跳過此步，直接進入步驟4.3.4；

48、如果碰撞，則放棄該骨料，回到步驟4.3.1，重新計算坐標；

49、如果碰撞檢查通過，則認為骨料生成成功，進入下一步；

50、步驟4.3.4，記錄和集合更新；

51、保留成功生成的骨料，并將其添加到用于碰撞檢查的骨料集合中；

52、記錄該骨料的粒徑和體積信息；

53、當每個粒徑范圍內(nèi)(di—dj)投放的骨料體積均達到v(di—dj)時，完成了骨料生成和投放；

54、旋轉(zhuǎn)骨料在步驟4.3.1，如果選擇凸面體骨料進行投放，對每個骨料進行隨機旋轉(zhuǎn)，以確保骨料的空間朝向各不相同；具體步驟如下

55、將骨料繞x軸和z軸旋轉(zhuǎn)，計算骨料旋轉(zhuǎn)后的坐標；

56、定義骨料繞x軸和z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣rx和rz：

57、

58、式中，θ為繞x軸旋轉(zhuǎn)的角度，α為繞z軸旋轉(zhuǎn)的角度；

59、步驟4.3.5，骨料體積計算；

60、在步驟4.3.4，骨料的體積是通過計算累加組成骨料的每個四面體體積得到；單個四面體的體積計算公式如下：

61、

62、式中，vi表示單個四面體的體積，v表示骨料的體積，a、b、c、o分別為四面體的頂點坐標，∣∣表示向量的模長。

63、本發(fā)明提出了一種基于向量追蹤的型鋼混凝土三維七相細觀模型構(gòu)建方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的不足具有以下顯著優(yōu)點：

64、(1)提高模擬精度

65、本發(fā)明將型鋼混凝土細觀模型細分為七個組分，即粗骨料、砂漿、粗骨料-砂漿界面層、鋼筋、砂漿-鋼筋黏結(jié)界面、型鋼、型鋼-砂漿黏結(jié)界面；一種細致的組分劃分，使模型能夠更準確地反映實際材料的復(fù)雜性，顯著提高了數(shù)值模擬的精度。

66、(2)真實骨料形態(tài)

67、本發(fā)明骨料采用凸多面體描述,而不是簡化球形。凸多面體骨料更接近實際骨料形態(tài),能夠更精確地模擬混凝土材料中骨料的分布和行為，從而更準確地分析混凝土在不同工程場景下的性能。

68、(3)提高結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性：

69、本發(fā)明通過細觀模型的精細模擬，優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料選擇。這種更真實的模擬能夠更準確地分析和優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的性能，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性，特別是在地震、火災(zāi)等復(fù)雜工況下提供了更可靠的分析結(jié)果。

70、(4)操作簡便

71、本發(fā)明采用向量追蹤算法進行物理碰撞檢查，對各相組分進行快速碰撞檢測和調(diào)整。簡化了操作步驟，使得研究人員和工程師能夠高效地構(gòu)建和分析模型，大大降低了學(xué)習(xí)和操作的門檻。

72、(5)降低成本

73、本發(fā)明通過高效算法和簡化流程，減少了計算時間和資源消耗。

74、在保證高精度模擬的同時，降低了計算和操作成本，成本，使得在有限的預(yù)算內(nèi)也能進行高質(zhì)量的的細觀數(shù)值模擬。綜上所述，本發(fā)明在模擬精度、模型真實性、操作簡便性和成本控制方面均優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)方案，本發(fā)明能夠在各種工程應(yīng)用中產(chǎn)生良好的技術(shù)效果，為型鋼混凝土細觀數(shù)值模擬提供了強有力的技術(shù)支持。