鋼筋混凝土銹裂全過程多尺度分析與原位動態(tài)監(jiān)測

本項目擬圍繞提出的關(guān)鍵科學(xué)問題，全面考慮環(huán)境物理化學(xué)作用與荷載效應(yīng)，針對不同環(huán)境與受荷條件下進(jìn)行鋼筋銹脹引起的混凝土開裂全過程理論分析與試驗研究。 采用先進(jìn)的測試技術(shù)、數(shù)值仿真、理論研究、實驗室試驗及暴露現(xiàn)場試驗相結(jié)合，研究多因素耦合作用下混凝土中侵蝕介質(zhì)的輸運機制，提出了改進(jìn)的水泥水化數(shù)值分析模型，基于混凝土的實體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息，考慮混凝土中應(yīng)力場、溫度場、濕度場、CO2分布場與Cl-分布場之間的交互作用，闡釋侵蝕介質(zhì)在混凝土中的傳輸擴散機制，界定影響鋼筋銹蝕的關(guān)鍵參數(shù)； 通過X-CT掃描和灰度閾值分割法對銹蝕試件中的粗骨料、氣孔、鋼筋、銹蝕產(chǎn)物、裂縫等各相進(jìn)行圖像分割和三維重構(gòu)，獲得了保護(hù)層的三維位移場、應(yīng)變場，研究了鋼筋混凝土銹脹開裂全過程真實的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與時變特性，揭示了混凝土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對鋼筋的銹蝕過程及狀態(tài)的影響； 基于數(shù)字圖像(DIC、DVC)技術(shù)，測定了鋼筋混凝土梁表面應(yīng)變場，分析了彎曲荷載作用下鋼筋混凝土梁損傷開裂的全過程，選取損傷度作為評價混凝土損傷情況的定量指標(biāo)，建立了損傷度與變形模量的關(guān)系，提出了多軸應(yīng)力狀態(tài)下?lián)p傷度的表征方法，獲得了鋼筋混凝土梁在彎曲荷載作用下?lián)p傷場分布，通過對鋼筋混凝土的銹脹開裂全過程及開裂模式的分析，系統(tǒng)深入地研究了荷載與復(fù)雜環(huán)境耦合作用下由于銹脹開裂引起的混凝土結(jié)構(gòu)性能損傷與退化規(guī)律； 建立了完整的鋼筋混凝土銹脹開裂全過程多尺度分析模型，采用原位動態(tài)測試技術(shù)，實時監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹力變化及銹裂全過程，提出了銹裂關(guān)鍵參數(shù)及敏感性、控制與評定方法，建立了鋼筋起銹時刻與銹蝕發(fā)展時變規(guī)律的新的預(yù)測模型； 研究成果形成了較為成熟的可為工程應(yīng)用的理論模型及試驗方法，提出了開裂測試新技術(shù)與開裂風(fēng)險評估方法，為制定混凝土開裂評定技術(shù)規(guī)程提供理論與實驗技術(shù)方法，進(jìn)一步為大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性設(shè)計、施工、維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

本項目擬針對不同環(huán)境與受荷條件下進(jìn)行鋼筋銹脹引起的混凝土開裂全過程理論分析與試驗研究。項目擬采用先進(jìn)的測試技術(shù)、數(shù)值仿真、理論研究、實驗室試驗及暴露現(xiàn)場試驗相結(jié)合，研究多因素耦合作用下混凝土中侵蝕介質(zhì)的輸運機制，獲得鋼筋混凝土銹脹開裂全過程真實的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與時變特性，揭示混凝土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對鋼筋的銹蝕過程及狀態(tài)的影響，通過多尺度過渡，對鋼筋混凝土的銹脹開裂全過程及開裂模式的分析，系統(tǒng)深入地開展荷載與復(fù)雜環(huán)境耦合作用下由于銹脹開裂引起的混凝土結(jié)構(gòu)性能損傷與退化規(guī)律研究，建立完整的鋼筋混凝土銹脹開裂全過程多尺度分析模型，采用原位動態(tài)測試技術(shù)，實時監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹力變化及銹裂全過程，提出銹裂關(guān)鍵參數(shù)及敏感性、控制與評定方法，預(yù)測鋼筋起銹時刻與銹蝕發(fā)展時變規(guī)律，形成較為成熟的可為工程應(yīng)用的理論模型及技術(shù)規(guī)程，為大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性設(shè)計、施工、維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

序

Preface

前言

第1章導(dǎo)論

1.1材料的特性源自材料的原子結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)

1.2多尺度分析的研究目標(biāo)、內(nèi)容及串行式與并行式的研究方法

1.3材料設(shè)計中多尺度分析方法的選擇

1.4兩類空間多尺度問題及時問多尺度

1.4.1兩類空間多尺度問題

1.4.2兩類問題的基本區(qū)別

1.4.3時間多尺度問題

1.5不同應(yīng)用背景下多尺度問題的示例

1.5.1珠光體鋼軌鋼力學(xué)行為的微、細(xì)、宏觀多尺度分析

1.5.2生物活躍材料與人體醫(yī)療植入物的多尺度分析

1.5.3納米陶瓷涂層抗腐蝕的多尺度分析

1.5.4波形蛋白質(zhì)纖維的嵌套結(jié)構(gòu)與多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韌轉(zhuǎn)換分析中原子尺度與連續(xù)介質(zhì)尺度的連接

1.6國際上多尺度分析的發(fā)展概況

1.6.1總的態(tài)勢

1.6.2跨原子/連續(xù)介質(zhì)(第一類)多尺度分析

1.6.3跨連續(xù)介質(zhì)微/細(xì)/宏觀(第二類)多尺度分析

1.6.4時間多尺度分析

1.6.5存在的問題及所作的努力

1.7兼顧前瞻性的內(nèi)容設(shè)置

思考與探索

參考文獻(xiàn)

第2章分子動力學(xué)要義及其與量子力學(xué)的能量連接

2.1分子動力學(xué)的發(fā)展概況及其重要性

2.1.1從發(fā)展趨勢看研究分子動力學(xué)的意義

2.1.2分子動力學(xué)的一些研究領(lǐng)域

2.1.3分子動力學(xué)的時空尺度

2.2分子動力學(xué)的運動方程、勢能函數(shù)、力與應(yīng)力

2.2.1質(zhì)點運動的拉格朗日方程

2.2.2勢能函數(shù)U及作用于原子上的力與應(yīng)力

2.3分子動力學(xué)的算法及其精度

2.3.1數(shù)值積分過程

2.3.2差分表達(dá)式

2.3.3Vetlet數(shù)值算法、精度分析及簡例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的計算與邊界條件的處理

2.4.1分子動力學(xué)程序中力的計算算法

2.4.2分子動力學(xué)程序中力的并行算法

2.4.3分子動力學(xué)中邊界條件的處理方法

2.5多體交互作用與嵌入原子法

2.5.1考慮多體作用的Tersoft與Brenner對勢

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子動力學(xué)模擬

2.6.1引言

2.6.2Born固體模型與考慮極化的殼體模型

2.7如何確定經(jīng)驗勢中的參數(shù)

2.7.1LJ對勢函數(shù)參數(shù)e與a的估算

2.7.2LB混合律對指數(shù)勢及Morse勢三參數(shù)的估算

2.7.3陶瓷氧化物勢函數(shù)及其參數(shù)的確定

2.7.4用于研究磷酸鹽生化活躍材料的勢函數(shù)

2.7.5分?jǐn)?shù)式離子鍵固體勢函數(shù)

2.8如何確定分子動力學(xué)模型的原子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)及進(jìn)行圖形顯示

2.8.1分子動力學(xué)模型原子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)的確定

2.8.2分子動力學(xué)的圖形顯示

2.9如何采用軟件進(jìn)行分子動力學(xué)的計算

2.9.1DL_Poly軟件簡介

2.9.2DL_Poly_2.18的文件庫及輸入文件的內(nèi)容

2.9.3DL_Poly_2.18的輸出文件

2.10量子力學(xué)與分子動力學(xué)的能量連接

2.10.1原子內(nèi)的能量平衡及量子力學(xué)的基本概念

2.10.2分子動力學(xué)與量子力學(xué)的耦合

2.10.3薛定諤方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系統(tǒng)的能量

2.10.5求解量子力學(xué)基本方程實現(xiàn)耦合的三種基本方法

2.10.6緊束縛方法

2.10.7Hartree-Fock理論及其相關(guān)的方法

2.10.8電子密度泛函理論

2.11實例：納米涂層及植入物與液體界面分析中的分子動力學(xué)計算

2.11.1基本方法

2.11.2對勢函數(shù)的確定

2.11.3氮化鐵與基體鐵界面剪切抗力的計算

2.11.4植入物與水一蛋白質(zhì)系統(tǒng)界面的分子動力學(xué)計算

參考文獻(xiàn)

第3章跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/宏觀多尺度變形與破壞分析

3.2.1模型區(qū)域的分割及其耦合

3.2.2系統(tǒng)的總哈密頓量及其分解

3.2.3握手區(qū)的一般設(shè)計及MAAD的特點

3.2.4MAAD存在的問題

3.3一維模型

3.3.1FE/MD耦合運動方程的推導(dǎo)

3.3.2分子動力學(xué)與有限元耦合的數(shù)值例子

3.4Cauchy-Born法則及跨原子一連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法則

3.4.2關(guān)于Cauchy-Born法則精度的討論

3.4.3基于Cauchy-Born法則的跨原子/連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.4解析方法的應(yīng)用

3.5變形與破壞的擬連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量計算

3.5.2QC方法邊界的不協(xié)調(diào)性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊貢獻(xiàn)

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC與離散位錯動力學(xué)耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三種邊值問題的疊加

3.6.3過渡區(qū)的處理及位錯穿越過渡區(qū)

3.7用于動力學(xué)模擬的搭接區(qū)多尺度分析

3.8用于動力學(xué)模擬的橋接區(qū)多尺度分析

3.8.1位移場在兩個不同尺度的分解

3.8.2運動的多尺度方程及其討論

3.8.3橋接法多尺度框架及廣義朗之萬方程

3.8.4數(shù)值例題

3.8.5對橋接法的簡短評論

3.9幾種模型界面不協(xié)調(diào)性的比較

參考文獻(xiàn)

第4章廣義質(zhì)點動力學(xué)多尺度模擬方法

4.1引言

4.2廣義質(zhì)點動力學(xué)方法的多尺度幾何模型

4.2.1多尺度區(qū)的形成

4.2.2廣義質(zhì)點的級別與其表征的原子數(shù)的定量關(guān)系

4.2.3模型實例

4.3逆映射法求解廣義質(zhì)點系動力學(xué)方程

4.3.1對等價剛度規(guī)則的質(zhì)疑

4.3.2映射與逆映射

4.4多尺度區(qū)的自然邊界條件

4.4.1原子區(qū)與連續(xù)介質(zhì)區(qū)邊界的內(nèi)稟不協(xié)調(diào)性

4.4.2廣義質(zhì)點動力學(xué)各尺度區(qū)問的自然邊界

4.5廣義質(zhì)點動力學(xué)方法的驗證

4.6廣義質(zhì)點動力學(xué)方法的初步應(yīng)用

4.6.1相變

4.6.2相變的機制

參考文獻(xiàn)

第5章串行嵌套式多尺度方法及復(fù)相材料循環(huán)彈塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/細(xì)/宏觀三尺度分析的基本框架及尺度間的信息傳遞

5.3基于改進(jìn)的自洽模型的細(xì)一宏觀定量關(guān)系

5.3.1改進(jìn)的自洽模型

5.3.2基于改進(jìn)的自治方法的宏/細(xì)觀定量關(guān)系

5.4非均質(zhì)材料組成相的彈塑性本構(gòu)關(guān)系

5.4.1帶耗散的彈簧滑塊模型對彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系的描述

5.4.2描述塑性響應(yīng)的遺傳型本構(gòu)方程

5.4.3經(jīng)典塑性理論及其非經(jīng)典塑性理論的比較

5.5基于微觀分析的微一細(xì)觀定量關(guān)系

5.6基于原子位錯分析的微觀尺度塑性參數(shù)及其尺度效應(yīng)

5.7由細(xì)觀塑性應(yīng)變決定宏觀參量的數(shù)值方法

5.8復(fù)相材料循環(huán)彈塑性尺度效應(yīng)的試驗研究

5.9多尺度分析數(shù)值結(jié)果及其與試驗結(jié)果的比較

參考文獻(xiàn)

附注5A

附注5B

第6章串行耦合式多尺度方法及損傷層合復(fù)合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通過中間單元體聯(lián)系大小尺度的串行嵌套式多尺度模型

6.2.1無損傷的條件下層合板(宏觀)與片層(細(xì)觀)的連接

6.2.2微觀單元體等效本構(gòu)方程與基體、纖維特性的關(guān)系

6.3損傷層合復(fù)合材料串行耦合式多尺度分析

6.3.1復(fù)合材料迭層方式對損傷起始及演化影響的試驗結(jié)果

6.3.2含損傷時層合復(fù)合材料多尺度分析的特點

6.3.3損傷層片等效本構(gòu)方程的形式

6.4細(xì)/宏觀耦合模型及在位損傷函數(shù)的確定

6.4.1等效約束模型

6.4.2沿每一片層厚度的平均

6.4.3沿單元體寬度方向的平均過程，二維剪切滯后模型

6.4.4在位損傷函數(shù)的確定與表達(dá)式

6.4.5串行耦合式與串行嵌套式多尺度分析方法的區(qū)別

6.5基于損傷準(zhǔn)則的串行耦合式多尺度破壞分析

6.6計及基體開裂演化的多尺度分析的計算結(jié)果及討論

6.6.1沿縱向(y向)受拉伸時[O/90]s類型層合板就地?fù)p傷函數(shù)Azz及A66的確定

6.6.2沿縱向受拉伸載荷時[O/90]s類型層合板剛度的下降

6.6.3損傷裂紋的起始與演化

6.6.4多尺度模型的預(yù)言及其與試驗結(jié)果的比較

參考文獻(xiàn)

附注6A

附注6B

附錄A原子與生物大分子的結(jié)構(gòu)、排列及其運動

A.1原子的基本結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)

A.1.1原子的結(jié)構(gòu)

A.1.2原子的電子結(jié)構(gòu)

A.2原子的鍵連接

A.2.1金屬鍵

A.2.2共價鍵

A.2.3離子鍵

A.2.4范德瓦耳斯鍵

A.2.5混合鍵連接

A.2.6鍵能量與原子間距

A.2.7對原子結(jié)構(gòu)的小結(jié)

A.3原子的排列布置與單元晶胞

A.3.1三種級別的原子布置

A.3.2單元晶胞

A.4晶體結(jié)構(gòu)的點、方向與平面

A.4.1點的坐標(biāo)

A.4.2晶體的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的穩(wěn)定性與擴散

A.5.1擴散的描述

A.5.2擴散的機制

A.6蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)

A.6.1蛋白質(zhì)的多肽(polypeptides)鏈結(jié)構(gòu)

A.6.2由側(cè)鏈R決定的20種氨基酸的三組類型

A.6.3氨基酸的其他結(jié)構(gòu)特點

A.7脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

A.7.1生物大分子與結(jié)構(gòu)形成的一般規(guī)則

A.7.2核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)

附錄B對比與評鑒：RCMM多尺度分析工作學(xué)術(shù)評論匯集

卷后語2100433B

本書清晰地闡述了多尺度結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的概念。在介紹量子理論和分子動力學(xué)經(jīng)驗方法的基礎(chǔ)上，范教授深入地探討了如何把這些方法與粗晶粒和連續(xù)介質(zhì)模型相結(jié)合，并應(yīng)用到工程上所關(guān)心的大尺度問題中，以滿足器件與產(chǎn)品的設(shè)計要求。該書進(jìn)一步強調(diào)了機械性能的多尺度模型，深入淺出地介紹了多尺度材料變形和破壞分析這一交叉學(xué)科領(lǐng)域，并特別留意了讀者主動吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知識與方法。

圍繞將多尺度分析分為兩大類以形成大范圍分析框架的思路，本書闡述了分子動力學(xué)要義及其與量子力學(xué)的能量聯(lián)結(jié)，評介了跨原子/連續(xù)介質(zhì)的多尺度分析方法，闡述了提出的嵌套與耦合串行式跨微/細(xì)/宏觀分析的原理與方法，并以復(fù)相彈塑性與損傷復(fù)合材料為例，介紹了相關(guān)的概念、步驟、結(jié)果及其與實驗的比較。

本書介紹了作者帶領(lǐng)的研究團隊十多年來在大型土木結(jié)構(gòu)損傷多尺度模擬與分析領(lǐng)域的主要研究成果及其在結(jié)構(gòu)抗震分析、橋梁疲勞損傷預(yù)后分析中的應(yīng)用。本書主要內(nèi)容包括：微細(xì)、宏觀尺度上材料與結(jié)構(gòu)的損傷特征觀測與分析，不同尺度上材料與結(jié)構(gòu)損傷的合理表征及其量化方法，結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的基本方程與計算方法，結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的實施流程及其驗證，損傷跨尺度演化致混凝土構(gòu)件局部失效的模擬與分析，混凝土結(jié)構(gòu)損傷演化致失效過程的多尺度跨層次自適應(yīng)模擬與分析，以及大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷演化過程的多尺度跨層次模擬。本書同時介紹了這些理論與方法在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)損傷失效分析與重大橋梁工程結(jié)構(gòu)疲勞損傷演化過程模擬中的應(yīng)用。