混凝土壩體裂縫多尺度研究與數(shù)值模擬

為滿足巨大的能源需求，一批混凝土重力壩項(xiàng)目將要在我國多震的西南地區(qū)建設(shè)開工。這些工程庫容達(dá)數(shù)十億到數(shù)百億立方米，并且大部分處于強(qiáng)烈地震活動(dòng)區(qū)，若發(fā)生破壞將帶來嚴(yán)重的后果。混凝土的破壞過程可以看作是不同尺度的裂縫相互影響的結(jié)果。所以研究靜動(dòng)力條件下，不同尺度下的裂縫之間的關(guān)系，不同尺度的單元的連接、內(nèi)嵌等問題對(duì)解決準(zhǔn)脆性材料的破壞過程是十分有意義。對(duì)水工結(jié)構(gòu)的多尺度問題研究是基礎(chǔ)性前沿課題。本報(bào)告研究內(nèi)容主要包括以下方面： 1.對(duì)混凝土材料的多尺度性質(zhì)進(jìn)行研究。這一內(nèi)容的研究主要分為以下幾個(gè)方面：①基于分形理論的數(shù)值模擬混凝土材料的多尺度破壞裂紋關(guān)系的研究；②建立多尺度EFG模型模擬混凝土材料破壞性質(zhì)的研究；③基于開爾文黏彈性本構(gòu)對(duì)混凝土?xí)r間多尺度的破壞性質(zhì)的數(shù)值模擬的研究；④對(duì)混凝土的大尺度彈塑性損傷本構(gòu)的研究； 2.對(duì)結(jié)構(gòu)單元的多尺度性質(zhì)進(jìn)行研究。這一內(nèi)容的研究主要分為以下幾個(gè)方面：①基于多尺度有限元和擴(kuò)展有限元理論對(duì)帶孔的結(jié)構(gòu)裂紋的進(jìn)行多尺度單元開發(fā)的研究；②樣條小波有限元法在地基的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究；③新的多尺度重疊網(wǎng)格算法的研究；④基于蜂群-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的子結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制算法的研究；⑤對(duì)拱壩壩段不同尺度單元剖分的橫縫單元的研究。 3.對(duì)復(fù)雜層地基的多尺度性質(zhì)進(jìn)行研究。這一內(nèi)容的研究主要分為以下幾個(gè)方面：①對(duì)含節(jié)理的巖體的滑坡模式的研究；②基于多向透射邊界理論對(duì)飽和無限地基的人工邊界進(jìn)行研究和開發(fā)；③地震動(dòng)多尺度的合成及輸入方式的研究；④含節(jié)理巖體的多尺度本構(gòu)的研究。 通過以上研究，系統(tǒng)的研究了混凝土壩體的多尺度問題，為工程設(shè)計(jì)人員有針對(duì)性地采取工程措施進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考。 2100433B

由于西南、西北地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜并且是高烈度地震頻發(fā)地區(qū)。這就對(duì)這一地區(qū)的混凝土壩體的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法提出了更高要求?；炷恋钠茐倪^程是非線性破壞過程，所以對(duì)混凝土壩的力學(xué)分析過程中不能忽視混凝土強(qiáng)度軟化的影響，而混凝土強(qiáng)度的軟化主要是由于混凝土多尺度裂縫的開裂引起的，所以對(duì)于混凝土壩體的多尺度裂縫的開裂的研究是非常重要的。本項(xiàng)目針對(duì)混凝土壩體裂縫的多尺度特征進(jìn)行研究。采用分形等理論對(duì)混凝土壩體裂縫在多尺度下的數(shù)學(xué)和力學(xué)關(guān)系以及擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上采用損傷理論、斷裂理論以及比例邊界有限元與有限元耦合分析技術(shù)建立地震荷載作用下混凝土壩體的多尺度裂縫開裂和擴(kuò)展的數(shù)值模擬模型，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。該成果可以廣泛應(yīng)用于水工混凝土大型結(jié)構(gòu)、巖體大型結(jié)構(gòu)的施工以及安全評(píng)價(jià)中，如重力壩、拱壩、基巖、地下巖質(zhì)隧道、巖質(zhì)邊坡等。該成果不僅具有理論意義，而且具有重要的實(shí)用價(jià)值。

在系列混凝土動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬技術(shù)，深入研究地震、強(qiáng)風(fēng)等動(dòng)力荷載作用下混凝土損傷的細(xì)觀機(jī)理及其演化機(jī)制；基于多尺度方法體系，合理描述微觀裂縫演化對(duì)宏觀損傷演化的影響，探索混凝土動(dòng)力損傷擴(kuò)散的物理機(jī)制與多尺度隨機(jī)漲落特征；發(fā)展可以科學(xué)反映混凝土結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力非線性行為的建模理論與數(shù)值模擬方法，為正確反映重大工程結(jié)構(gòu)在地震、強(qiáng)風(fēng)等災(zāi)害作用下的性態(tài)、進(jìn)行重大工程結(jié)構(gòu)的精細(xì)化分析和控制提供科學(xué)基礎(chǔ)。 2100433B

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)值模擬工具開發(fā)；完成了混凝土開裂多尺度數(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)合的混凝土開裂模擬分析方法，完成了相應(yīng)的數(shù)值模擬工具開發(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