細觀裂紋擴展致混凝土材料與結(jié)構(gòu)失效的多尺度分析方法.pdf

1、混凝土是由水泥砂漿基質(zhì)與骨料組成的一種復(fù)合材料，在宏觀尺度下分析時一般將其假設(shè)為連續(xù)均勻的固體，忽略材料內(nèi)部在細觀尺度下存在的大量細觀裂紋。這些細觀裂紋主要分布在基質(zhì)與骨料之間的界面上，在混凝土材料和結(jié)構(gòu)服役過程中會發(fā)生裂紋跨尺度擴展。因此，混凝土材料與結(jié)構(gòu)的失效是以這些細觀裂紋為主導(dǎo)的損傷從細觀尺度到宏觀尺度的跨尺度演化導(dǎo)致的。基于混凝土材料細觀結(jié)構(gòu)特性和失效機理，對以細觀裂紋擴展為主導(dǎo)的材料損傷跨尺度演化致混凝土結(jié)構(gòu)失效的過程進行分

2、析，進而探討損傷跨尺度演化對混凝土構(gòu)件與結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的影響，是研究混凝土損傷演化過程和失效機理的關(guān)鍵。
　　本文從混凝土材料損傷與破壞機理出發(fā)，基于混凝土細觀裂紋擴展模型和數(shù)值分析方法，分別模擬分析了在混凝土材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層次上損傷跨尺度演化致失效的過程，探討了損傷跨尺度演化對混凝土材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的不同層次上宏、細觀力學(xué)性能的影響。本文完成的主要工作及成果有:
　　1.應(yīng)用斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的概念、方法分析了不同尺度

3、下混凝土材料損傷與破壞的特征;在對比分析了現(xiàn)有的各種混凝土材料細觀模型的基礎(chǔ)上，選擇了從混凝土失效機理出發(fā)的細觀多裂紋模型作為本文數(shù)值分析研究的工具。應(yīng)用細觀多裂紋模型，首先計算分析了細觀裂紋主導(dǎo)的損傷跨尺度演化致混凝土材料失效的過程。在驗證了模型有效性的基礎(chǔ)上，結(jié)合宏、細觀損傷分析方法定量分析了損傷跨尺度演化過程，并對不同配合比的混凝土試樣進行了單軸拉伸過程的數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，混凝土在單軸拉伸作用下材料內(nèi)部基質(zhì)與骨料之間的界面上

4、的細觀裂紋經(jīng)歷了分布式生長、細觀裂紋聚合、宏觀裂紋形成與擴展、發(fā)生斷裂的損傷跨尺度演化過程，與之同時試樣的宏觀力學(xué)響應(yīng)則對應(yīng)地經(jīng)歷了線彈性響應(yīng)階段、非線性強化階段、軟化階段和應(yīng)變跳回(Snap-back)現(xiàn)象;通過以損傷導(dǎo)致有效承載面積減少的方式建立宏、細觀損傷變量之間的聯(lián)系，揭示了損傷演化的非線性串級發(fā)展過程及其對混凝土材料宏觀力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著損傷的增加，混凝土材料變形的延展性增大，強度減小，破壞模式趨復(fù)雜。
　　2.在

5、損傷演化致混凝土材料失效分析的基礎(chǔ)上，進而計算分析了受彎混凝土構(gòu)件損傷跨尺度演化致失效的過程。分別對含初始宏觀裂紋和不含初始宏觀裂紋的混凝土梁損傷受彎曲變形過程進行數(shù)值分析，建立了受彎混凝上構(gòu)件損傷演化的多尺度模擬方法并進行了尺寸效應(yīng)對混凝土梁力學(xué)性能影響的數(shù)值試驗;基于混凝土疲勞破壞機理和簡化的Paris疲勞裂紋擴展準(zhǔn)則，改進了混凝土材料細觀多裂紋模型并進行了混凝土梁疲勞裂紋擴展的數(shù)值試驗。研究結(jié)果表明，在混凝土梁構(gòu)件中，以細觀裂紋擴

6、展為主導(dǎo)的損傷跨尺度演化首先引起局部較不利位置混凝土材料的失效，隨著發(fā)生局部材料失效的區(qū)域逐漸擴大，混凝土梁的抗彎承載能力逐步下降，最后導(dǎo)致混凝土梁在構(gòu)件層次的失效;發(fā)生在不同尺寸受彎混凝土構(gòu)件中的損傷跨尺度非線性串級發(fā)展導(dǎo)致了混凝土梁的尺寸效應(yīng)，隨著混凝土梁試樣尺寸的增大，其名義強度減小，斷裂能增大，且宏觀力學(xué)性能數(shù)據(jù)的離散度減小;在不同疲勞應(yīng)力水平作用下混凝土梁的疲勞損傷演化和最終破壞形態(tài)存在差異;以混凝土梁抗彎剛度的退化程度來描述

7、其疲勞損傷能得到混凝土試樣的疲勞損傷演化曲線，發(fā)現(xiàn)第i次循環(huán)加載造成的損傷量與其之前所處的損傷狀態(tài)有關(guān);基于數(shù)值試驗擬合得到的S-N曲線能估計單一應(yīng)力水平下混凝土梁的疲勞壽命，而基于疲勞損傷累積分析方法能估計復(fù)雜應(yīng)力水平加載下混凝土梁的疲勞壽命。
　　3.在混凝土材料與構(gòu)件損傷演化致失效分析的基礎(chǔ)上，進而研究了混凝土壩體結(jié)構(gòu)損傷跨尺度演化過程的多尺度分析方法?；诰鶆蚧碚摻⒘嘶炷林亓螕p傷演化的多尺度分析模型，探討了其在水平

8、地震力、垂直地震力、洪水作用下壩體結(jié)構(gòu)中的損傷分布，并分別模擬了其損傷跨尺度演化致結(jié)構(gòu)失效的過程。研究結(jié)果表明，選取合適的代表性體元使其包含足夠的細觀裂紋進行分析，就能夠既在細觀層次上考慮混凝土材料的三相特性和細觀缺陷特征，又能夠在宏觀結(jié)構(gòu)層次上將混凝土重力壩的材料近視視為均質(zhì)材料;在不同的工況下，重力壩結(jié)構(gòu)中由細觀裂紋擴展為主導(dǎo)的損傷跨尺度演化過程與最終破壞形態(tài)存在著差異，且損傷演化主要集中在壩頭、壩踵以及上下游壩面等拉應(yīng)力較大區(qū)域，

9、在大壩的設(shè)計及優(yōu)化中應(yīng)當(dāng)考慮這些損傷演化特性提出相應(yīng)的加固措施。
　　綜上所述，本文發(fā)展的基于細觀多裂紋模型進行細觀裂紋擴展致材料與結(jié)構(gòu)失效的多尺度分析方法，同時考慮了細觀尺度和宏觀尺度下的損傷特征，能夠從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層次揭示混凝土損傷跨尺度演化致失效的過程和機理;并通過應(yīng)用于受彎混凝土構(gòu)件力學(xué)性能分析，成功的揭示了混凝土構(gòu)件損傷跨尺度演化引起的力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)，也能揭示循環(huán)荷載作用下混凝土受彎構(gòu)件的疲勞損傷跨尺度演化特性，