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水 利 学 报

2022 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 2 期

文章编号：0559-9350（2022）02-0188-12

基于多重点云与分级聚合的全级配混凝土

三维细观结构高效生成方法

徐 磊，姜 磊，周昌巧，任青文
（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）

摘要：本文提出了一种高骨料含量全级配混凝土三维细观结构高效生成方法。通过建立包含各粒级随机骨料的分
级骨料库，实现了所需骨料的快速选取；提出在连续投放域内构建具有空间结构的多重点云，大幅提高了全级配
混凝土三维细观结构的生成效率；通过骨料分级聚合弥补了各粒级中少量骨料投放失败造成的骨料体积损失。实
例以及与其他方法的对比分析表明，采用本文方法可在满足设计级配要求的前提下，高效生成骨料体积含量达
60%以上的全级配混凝土三维细观结构，为开展全级配混凝土细观精细仿真奠定了基础。
关键词：全级配混凝土；三维细观结构；多重点云；分级聚合
中图分类号：TV431 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210708

1 研究背景

细观随机骨料模型在混凝土计算材料学中正得到越来越广泛的应用，基于该模型可以实现在细
［4］
［3］
观尺度上分析混凝土的复杂行为和性能，如损伤断裂 ［1-2］ 、水分运移 、氯离子扩散 、碱骨料反应 ［5］
等。在细观尺度上，一般将混凝土视为由（粗）骨料、砂浆以及两者之间的界面过渡区组成的复合材
［6］
料 。由于随机分布在砂浆基体中的骨料具有不同的粒径、形状、级配和含量，使得混凝土具有复杂
［7］
的细观（随机）结构。因此，自 Wittmann 等 在 1980 年代中期开创了“数值混凝土”这一研究领域以
［8］
来，建立符合实际的混凝土细观随机骨料模型就一直是该领域的研究热点 ，而真实模拟混凝土的复
杂细观结构则是其主要任务之一。
由于计算资源的限制和三维问题的复杂性，早期研究主要集中于混凝土切面二维细观结构模
拟 ［9］ 。但由于混凝土细观结构在本质上是三维的，故自 Wriggers 等 ［10］ 提出球形骨料混凝土三维细
观结构模拟方法以来，相关研究逐渐聚焦于三维问题。
现 阶 段 ， 由 Wang 等 ［11］ 提 出 的 先 生 成 随 机 骨 料 后 进 行 骨 料 投 放 的 随 机 取 放 法（Take-and-Place
Method，TPM）仍是生成混凝土细观结构的基本方法。与基骨料生长法 ［12］ 、基于图形学的分割收缩法 ［13］
以及骨料温升膨胀法 ［14］ 等相比，随机取放法具有便于控制骨料形状和级配的优点。但在基于传统随
机取放法生成混凝土三维细观结构时，存在效率和所能达到的最大骨料体积含量低的缺点 ［15］ 。
为此，在传统随机取放法的基础上，李运成等 ［16］ 采用“被占区域剔除法（Occupation and Removal
Method，ORM）”以提高混凝土三维细观结构的生成效率；唐欣薇等 ［17］ 提出了随机骨料投放的“分层
摆放法”，避免了骨料间复杂的“侵入”判断，但由于封装摆放会形成空隙，难以达到较高的骨料含
量 ［18］ ；秦川等 ［18］ 提出了一种基于背景网格的骨料投放方法，降低了“侵入”判断的实施难度，但背景
网格尺寸取值很小（最小骨料粒径的 0.1 ~ 0.2 倍），难以实现高效投放；方秦等 ［19］ 通过允许骨料随机旋

收稿日期：2021-08-07；网络首发时间：2022-01-20
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220119.1430.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51979092，U1765204，51739006）
作者简介：徐磊（1981-），博士，副教授，主要从事水工混凝土材料与结构多尺度分析理论与方法研究。E-mail：leixu@hhu.edu.cn
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