混凝土是一种多相复合材料,由于材料非均匀各向异性的特点,其力学性能十分复杂,但作为建筑结构中最广泛使用的材料之一,研究能够可靠高效分析其力学行为的数值模拟方法有非常重要的意义。有限元法(FEM)目前主要集中于对混凝土宏观力学行为的模拟,但是由于基于连续介质力学假设,对混凝土开裂后细观力学性能的分析较为困难。离散元法(DEM)虽然对于混凝土的细观开裂和局部破坏有较好的模拟效果,但是由于计算耗时过大,限制了其在工程问题的应用范围。因此,本文想开发一种结合两者优点的数值模拟方法,力争精确和高效地对混凝土的力学行为进行研究。本文基于文献[1]中适用于砂土的有限元-离散元耦合多尺度分析方法,提出适用于混凝土力学行为研究的有限元-离散元耦合多尺度(跨尺度)分析方法(即FEM-DEM耦合跨尺度分析方法)。FEM-DEM耦合跨尺度分析方法,用FEM模拟宏观单元行为,用DEM作为代表体积元模拟有限元高斯点的混凝土本构关系。本文借助Client-Server软件平台集成技术[2],通过编程在通用有限元软件OpenSees中添加“耦合跨尺度DEM材料”,在通用离散元软件Yade中建立相应的计算流程,建立OpenSees-Yade数值模拟平台,详细论述了如何选取Yade混凝土细观离散元试样的参数,实现了FEM-DEM耦合跨尺度分析方法应用于混凝土宏观和细观的数值模拟,并将该方法应用于模拟素混凝土柱反复加载作用下的试验,通过与试验结果对比验证了方法的可行性,且通过对基于Yade的纯离散元计算耗时研究证明了方法的高效性。本文将FEM-DEM耦合跨尺度分析方法用于钢筋混凝土简支梁受跨中集中荷载的分析,研究了梁的宏观有限元力学特性和细观离散元开裂形态,通过与有限元模型截断Drucker-Prager[3,4](DP)材料的计算结果对比,验证了方法的准确性。最后,本文提出了 FEM-DEM耦合跨尺度分析方法的大规模并行分布式计算方法,大大提高了计算效率,为该方法应用于工程实际提供了可能,并利用并行分布式计算方法对钢筋混凝土剪力墙进行模拟,分析了剪力墙在竖向和水平荷载共同作用下的宏观受力性能和细观开裂状态,通过与截断DP材料计算结果的对比,论证了 FEM-DEM耦合跨尺度分析方法的有效性,并通过与使用串行FEM-DEM耦合跨尺度分析方法模拟剪力墙的计算时间对比,验证了并行分布式计算的高效性。研究表明,本文提出的适用于混凝土研究的FEM-DEM耦合跨尺度分析方法,对于混凝土构件柱、梁、剪力墙的模拟效果良好,为混凝土的宏、细观力学性能研究提供了一种新的多尺度分析方法和计算工具。