鋼筋混凝土梁橋耐久性能多尺度數(shù)值模擬分析策略

當(dāng)前混凝土梁橋耐久性分析的難點(diǎn)在于，宏觀尺度分析無(wú)法考慮混凝土的非均質(zhì)特性以及鋼筋實(shí)際銹蝕狀態(tài)，單一尺度模型不能較好的適應(yīng)整體與細(xì)部構(gòu)造的組合計(jì)算要求，細(xì)觀尺度模型因復(fù)雜的分析模型和較大計(jì)算量而無(wú)法拓展至整體結(jié)構(gòu)，因此有必要進(jìn)行多尺度數(shù)值模擬分析方法研究。 本項(xiàng)目完成了混凝土中物質(zhì)傳輸理論及數(shù)值模擬方法研究，建立了考慮細(xì)觀尺度與宏觀尺度相結(jié)合的氯離子多尺度數(shù)值模擬分析方法，完成了相應(yīng)的數(shù)值模擬工具開(kāi)發(fā)；完成了混凝土開(kāi)裂多尺度數(shù)值模擬方法研究，建立了格構(gòu)式模型與四邊形有限元模型相結(jié)合的混凝土開(kāi)裂模擬分析方法，完成了相應(yīng)的數(shù)值模擬工具開(kāi)發(fā)；采用以上兩類數(shù)值模擬工具實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹脹引起混凝土開(kāi)裂數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)材料劣化的多尺度擴(kuò)散研究；建立了考慮鋼筋銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)方法，建立了平面銹蝕模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得平面銹蝕系數(shù)及非均勻銹蝕系數(shù)模型，進(jìn)一步建立了混凝土結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)方法。 本項(xiàng)目通過(guò)研究建立了混凝土中物質(zhì)傳輸?shù)亩喑叨葦?shù)值分析理論和方法，并給出了數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)類似物質(zhì)傳輸機(jī)理研究提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，本項(xiàng)目形成了建立混凝土梁橋耐久性精細(xì)化分析方法，有利于發(fā)展混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)及現(xiàn)有混凝土橋梁安全評(píng)價(jià)。 2100433B

當(dāng)前混凝土梁橋宏觀尺度耐久性分析在考慮混凝土非均質(zhì)特性及鋼筋實(shí)際銹蝕狀態(tài)上還存在困難，單一尺度模型不能較好的適應(yīng)整體與細(xì)部構(gòu)造的組合計(jì)算要求，細(xì)觀尺度模型因復(fù)雜的分析模型和較大計(jì)算量而無(wú)法拓展至全橋，因此研究多尺度數(shù)值模擬分析策略對(duì)于耐久性分析是十分必要的基礎(chǔ)工作。.本項(xiàng)目擬研究細(xì)觀尺度混凝土復(fù)合材料形式的扭曲效應(yīng)，建立跨尺度物質(zhì)傳輸?shù)却Ｐ?，?shí)現(xiàn)多尺度模型的劣化傳遞效應(yīng)與聯(lián)合分析；研究考慮混凝土開(kāi)裂和鋼筋銹蝕的構(gòu)件力學(xué)性能，提出多參數(shù)跨尺度鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能退化分析模型；通過(guò)實(shí)際混凝土梁橋調(diào)研及其耐久性退化過(guò)程數(shù)值模擬重建，對(duì)多尺度耐久性數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵參數(shù)和傳遞規(guī)律進(jìn)行對(duì)比和校正；研究混凝土梁橋的構(gòu)造形式對(duì)整體結(jié)構(gòu)耐久性的作用，提出含多尺度子模型的混合模型耐久性分析策略。.研究成果將建立混凝土梁橋耐久性精細(xì)化分析方法，有利于發(fā)展混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)及現(xiàn)有混凝土橋梁安全評(píng)價(jià)。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)值模擬已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，但絕大多數(shù)研究仍然建立在混凝土均質(zhì)材料的假定基礎(chǔ)之上。這一尺度上的研究無(wú)法考慮骨料對(duì)混凝土耐久性退化過(guò)程的影響。為了將混凝土耐久性數(shù)值模擬研究從宏觀尺度往細(xì)觀尺度上發(fā)展，首先必須建立實(shí)用的隨機(jī)骨料模擬方法，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建考慮鋼筋的混凝土細(xì)觀模型。在細(xì)觀模型研究所提供的平臺(tái)下，研究水分傳輸、氯離子傳輸、混凝土碳化、堿-骨料反應(yīng)等常見(jiàn)耐久性退化過(guò)程在細(xì)觀尺度上的發(fā)展過(guò)程和特點(diǎn)。定量描述骨料對(duì)這些過(guò)程的影響，并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)骨料級(jí)配、形態(tài)等參數(shù)提出優(yōu)化意見(jiàn)。課題還將在細(xì)觀尺度上研究混凝土力學(xué)性能與耐久性能的耦合機(jī)理，為宏觀尺度上相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)理論提供依據(jù)。

長(zhǎng)期以來(lái)，混凝土材料由于其低廉的造價(jià)被廣泛的應(yīng)用在橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)當(dāng)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但其耐久性能的退化往往成為后期養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題之一。本項(xiàng)目在細(xì)觀尺度上開(kāi)展針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)值模擬研究，內(nèi)容涉及：（1）混凝土細(xì)觀模型的構(gòu)建；（2）混凝土耐久性退化過(guò)程在細(xì)觀尺度上的表現(xiàn)；（3）混凝土力學(xué)性能與耐久性能在細(xì)觀尺度上的耦合關(guān)系。 首先，編寫(xiě)了ParticleSimu程序，支持二維圓形、橢圓、多邊形、Bezier曲線和三維球形、橢球形、多面體、圓柱體、膠囊等多種骨料形狀，并可實(shí)現(xiàn)圓柱體和立方體混凝土試件的模擬。 其次，開(kāi)展了細(xì)觀尺度上的水分傳輸研究。采用中子成像技術(shù)獲取水分含量的分布云圖，明確骨料對(duì)水分傳輸路徑的扭曲效應(yīng)以及由此造成的水分含量分布的空間變異性。研究結(jié)論對(duì)細(xì)觀尺度上的氯離子擴(kuò)散和混凝土碳化研究有重要的借鑒意義。 再次，開(kāi)展了細(xì)觀尺度上的氯離子擴(kuò)散和混凝土碳化過(guò)程。將擴(kuò)散鋒面和碳化鋒面的空間變異性轉(zhuǎn)化為一個(gè)安全系數(shù)，用以對(duì)平均擴(kuò)散深度和碳化深度的修正。研究了骨料長(zhǎng)寬比、形狀、級(jí)配、用量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)擴(kuò)散鋒面和碳化鋒面空間變異性的影響。 然后，編寫(xiě)了基于格構(gòu)式方法的Lamfa程序用于模擬混凝土材料的開(kāi)裂過(guò)程。推導(dǎo)了鋼筋銹蝕的時(shí)變銹脹力模型并模擬了由此引發(fā)的混凝土開(kāi)裂、保護(hù)層剝落等過(guò)程。研究了鋼筋直徑、鋼筋間距、鋼筋位置、骨料參數(shù)等對(duì)混凝土開(kāi)裂過(guò)程和保護(hù)層損傷程度的影響。 最后，建立了開(kāi)裂狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散等退化過(guò)程的數(shù)值模擬方法。通過(guò)一套網(wǎng)格建立了用于物質(zhì)傳輸模擬的實(shí)體單元和用于材料開(kāi)裂模擬的格構(gòu)單元。通過(guò)失效的格構(gòu)單元修正其連接的實(shí)體單元的物質(zhì)傳輸系數(shù)以體現(xiàn)混凝土損傷狀態(tài)對(duì)物質(zhì)傳輸過(guò)程的影響。 通過(guò)研究，將目前的基于宏觀尺度的混凝土構(gòu)件的耐久性數(shù)值模擬研究向細(xì)觀方向發(fā)展，并推動(dòng)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。 2100433B

多尺度分析方法是目前科學(xué)工程計(jì)算領(lǐng)域最熱門(mén)的數(shù)值模擬方法之一。復(fù)合材料工程制品多為板殼結(jié)構(gòu)，材料設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用常常需要進(jìn)行材料性能預(yù)測(cè)，對(duì)影響微觀結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度性能分析。本項(xiàng)目利用多尺度分析方法和有限元計(jì)算方法，研究復(fù)合材料制品周期構(gòu)型板結(jié)構(gòu)和雙曲扁殼結(jié)構(gòu)在靜力學(xué)服役環(huán)境下的力學(xué)行為，以及兩種結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)熱彈性環(huán)境下的性能。采用宏、細(xì)觀相關(guān)聯(lián)的技術(shù)路線，從細(xì)觀力學(xué)出發(fā)，基于均勻化方法、多尺度分析方法、有限元方法以及板殼結(jié)構(gòu)的幾何特性，構(gòu)造可以捕捉到由三維構(gòu)型微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的微觀三維力學(xué)行為的高階多尺度模型；并進(jìn)行多尺度模型和算法的理論分析，建立復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)三維數(shù)學(xué)模型與二維力學(xué)假設(shè)之間的近似關(guān)系；設(shè)計(jì)高效的多尺度數(shù)值算法。 2100433B