细观裂纹扩展致混凝土材料与结构失效的多尺度分析方法

摘要

混凝土是由水泥砂浆基质与骨料组成的一种复合材料，在宏观尺度下分析时一般将其假设为连续均匀的固体，忽略材料内部在细观尺度下存在的大量细观裂纹。这些细观裂纹主要分布在基质与骨料之间的界面上，在混凝土材料和结构服役过程中会发生裂纹跨尺度扩展。因此，混凝土材料与结构的失效是以这些细观裂纹为主导的损伤从细观尺度到宏观尺度的跨尺度演化导致的。基于混凝土材料细观结构特性和失效机理，对以细观裂纹扩展为主导的材料损伤跨尺度演化致混凝土结构失效的过程进行分析，进而探讨损伤跨尺度演化对混凝土构件与结构宏观力学性能的影响，是研究混凝土损伤演化过程和失效机理的关键。
　　本文从混凝土材料损伤与破坏机理出发，基于混凝土细观裂纹扩展模型和数值分析方法，分别模拟分析了在混凝土材料、构件、结构层次上损伤跨尺度演化致失效的过程，探讨了损伤跨尺度演化对混凝土材料、构件、结构的不同层次上宏、细观力学性能的影响。本文完成的主要工作及成果有:
　　1.应用断裂力学和损伤力学的概念、方法分析了不同尺度下混凝土材料损伤与破坏的特征;在对比分析了现有的各种混凝土材料细观模型的基础上，选择了从混凝土失效机理出发的细观多裂纹模型作为本文数值分析研究的工具。应用细观多裂纹模型，首先计算分析了细观裂纹主导的损伤跨尺度演化致混凝土材料失效的过程。在验证了模型有效性的基础上，结合宏、细观损伤分析方法定量分析了损伤跨尺度演化过程，并对不同配合比的混凝土试样进行了单轴拉伸过程的数值模拟。研究结果表明，混凝土在单轴拉伸作用下材料内部基质与骨料之间的界面上的细观裂纹经历了分布式生长、细观裂纹聚合、宏观裂纹形成与扩展、发生断裂的损伤跨尺度演化过程，与之同时试样的宏观力学响应则对应地经历了线弹性响应阶段、非线性强化阶段、软化阶段和应变跳回(Snap-back)现象;通过以损伤导致有效承载面积减少的方式建立宏、细观损伤变量之间的联系，揭示了损伤演化的非线性串级发展过程及其对混凝土材料宏观力学性能的影响，发现随着损伤的增加，混凝土材料变形的延展性增大，强度减小，破坏模式趋复杂。
　　2.在损伤演化致混凝土材料失效分析的基础上，进而计算分析了受弯混凝土构件损伤跨尺度演化致失效的过程。分别对含初始宏观裂纹和不含初始宏观裂纹的混凝土梁损伤受弯曲变形过程进行数值分析，建立了受弯混凝上构件损伤演化的多尺度模拟方法并进行了尺寸效应对混凝土梁力学性能影响的数值试验;基于混凝土疲劳破坏机理和简化的Paris疲劳裂纹扩展准则，改进了混凝土材料细观多裂纹模型并进行了混凝土梁疲劳裂纹扩展的数值试验。研究结果表明，在混凝土梁构件中，以细观裂纹扩展为主导的损伤跨尺度演化首先引起局部较不利位置混凝土材料的失效，随着发生局部材料失效的区域逐渐扩大，混凝土梁的抗弯承载能力逐步下降，最后导致混凝土梁在构件层次的失效;发生在不同尺寸受弯混凝土构件中的损伤跨尺度非线性串级发展导致了混凝土梁的尺寸效应，随着混凝土梁试样尺寸的增大，其名义强度减小，断裂能增大，且宏观力学性能数据的离散度减小;在不同疲劳应力水平作用下混凝土梁的疲劳损伤演化和最终破坏形态存在差异;以混凝土梁抗弯刚度的退化程度来描述其疲劳损伤能得到混凝土试样的疲劳损伤演化曲线，发现第i次循环加载造成的损伤量与其之前所处的损伤状态有关;基于数值试验拟合得到的S-N曲线能估计单一应力水平下混凝土梁的疲劳寿命，而基于疲劳损伤累积分析方法能估计复杂应力水平加载下混凝土梁的疲劳寿命。
　　3.在混凝土材料与构件损伤演化致失效分析的基础上，进而研究了混凝土坝体结构损伤跨尺度演化过程的多尺度分析方法。基于均匀化理论建立了混凝土重力坝损伤演化的多尺度分析模型，探讨了其在水平地震力、垂直地震力、洪水作用下坝体结构中的损伤分布，并分别模拟了其损伤跨尺度演化致结构失效的过程。研究结果表明，选取合适的代表性体元使其包含足够的细观裂纹进行分析，就能够既在细观层次上考虑混凝土材料的三相特性和细观缺陷特征，又能够在宏观结构层次上将混凝土重力坝的材料近视视为均质材料;在不同的工况下，重力坝结构中由细观裂纹扩展为主导的损伤跨尺度演化过程与最终破坏形态存在着差异，且损伤演化主要集中在坝头、坝踵以及上下游坝面等拉应力较大区域，在大坝的设计及优化中应当考虑这些损伤演化特性提出相应的加固措施。
　　综上所述，本文发展的基于细观多裂纹模型进行细观裂纹扩展致材料与结构失效的多尺度分析方法，同时考虑了细观尺度和宏观尺度下的损伤特征，能够从材料、构件、结构层次揭示混凝土损伤跨尺度演化致失效的过程和机理;并通过应用于受弯混凝土构件力学性能分析，成功的揭示了混凝土构件损伤跨尺度演化引起的力学性能的尺寸效应，也能揭示循环荷载作用下混凝土受弯构件的疲劳损伤跨尺度演化特性，结合均匀化理论可初步开展坝体混凝土结构的损伤演化多尺度分析，并依据获得的分析结果给水坝结构工程的安全设计提出指导性建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 混凝土损伤与破坏的研究现状

1．2．1 混凝土断裂力学理论

1．2．2 混凝土损伤力学理论

1．2．3 混凝土损伤与失效研究中的尺度问题

1．2．4 混凝土细观多裂纹模型

1．3 本文的主要工作

第二章 细观裂纹主导的损伤跨尺度演化致材料失效分析

2．1 以细观裂纹扩展为主导的混凝土材料损伤模型及其参数分析

2．1．1 模型建立

2．1．2 模型参数分析

2．1．3 模型验证-混凝土单轴拉伸过程模拟及其与试验结果的对比

2．2 基于细观多裂纹模型的混凝土材料损伤分析方法

2．2．1 宏观损伤分析方法

2．2．2 细观损伤分析方法

2．2．3 宏细观损伤变量关系分析

2．3 损伤跨尺度演化导致的混凝土材料的力学性能差异

2．3．1 材料失效模式上的差异

2．3．2 材料非线性性能的差异

2．3．3 材料强度参数的差异

2．4 本章小结

第三章 受弯混凝土构件损伤跨尺度演化致失效分析

3．1 三点弯曲混凝土梁损伤与破坏的数值模拟

3．1．1 含初始裂纹的混凝土梁损伤演化致失效模拟

3．1．2 混凝土梁损伤跨尺度演化致失效模拟

3．1．3 损伤跨尺度演化过程的多尺度模拟

3．2 损伤跨尺度演化导致的混凝土梁尺寸效应分析

3．2．1 混凝土梁的尺寸效应数值试验

3．2．2 数值结果分析

3．2．3 混凝土梁尺寸效应机理分析

3．3 三点弯曲混凝土梁疲劳失效的数值模拟

3．3．1 混凝土疲劳裂纹扩展理论

3．3．2 含少量宏观裂纹的混凝土梁疲劳损伤模型

3．3．3 含大量细观裂纹的混凝土梁疲劳损伤模型

3．4 混凝土梁中损伤跨尺度演化导致的疲劳损伤累积及寿命分析

3．4．1 混凝土梁的疲劳损伤数值试验

3．4．2 混凝土梁的疲劳损伤分析

3．4．3 混凝土梁的疲劳寿命分析

3．5 本章小结

第四章 混凝土坝体结构损伤跨尺度演化过程的多尺度分析

4．1 混凝土材料-结构多尺度分析方法

4．2 混凝土重力坝损伤跨尺度演化过程的多尺度数值模拟

4．2．1 损伤演化多尺度分析模型

4．2．2 不同工况下的初始损伤分析

4．2．3 不同工况下的损伤演化多尺度数值模拟

4．3 混凝土重力坝损伤跨尺度演化过程分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 完成的主要工作及主要成果

5．2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间撰写与发表的论文