混凝土壩體裂縫多尺度研究與數(shù)值模擬結題摘要

為滿足巨大的能源需求，一批混凝土重力壩項目將要在我國多震的西南地區(qū)建設開工。這些工程庫容達數(shù)十億到數(shù)百億立方米，并且大部分處于強烈地震活動區(qū)，若發(fā)生破壞將帶來嚴重的后果?；炷恋钠茐倪^程可以看作是不同尺度的裂縫相互影響的結果。所以研究靜動力條件下，不同尺度下的裂縫之間的關系，不同尺度的單元的連接、內(nèi)嵌等問題對解決準脆性材料的破壞過程是十分有意義。對水工結構的多尺度問題研究是基礎性前沿課題。本報告研究內(nèi)容主要包括以下方面： 1.對混凝土材料的多尺度性質(zhì)進行研究。這一內(nèi)容的研究主要分為以下幾個方面：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對混凝土時間多尺度的破壞性質(zhì)的數(shù)值模擬的研究；④對混凝土的大尺度彈塑性損傷本構的研究； 2.對結構單元的多尺度性質(zhì)進行研究。這一內(nèi)容的研究主要分為以下幾個方面：①基于多尺度有限元和擴展有限元理論對帶孔的結構裂紋的進行多尺度單元開發(fā)的研究；②樣條小波有限元法在地基的動態(tài)響應的研究；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)絡的子結構振動控制算法的研究；⑤對拱壩壩段不同尺度單元剖分的橫縫單元的研究。 3.對復雜層地基的多尺度性質(zhì)進行研究。這一內(nèi)容的研究主要分為以下幾個方面：①對含節(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飽和無限地基的人工邊界進行研究和開發(fā)；③地震動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，為工程設計人員有針對性地采取工程措施進行水工結構抗震設計提供參考。 2100433B

由于西南、西北地區(qū)地質(zhì)條件復雜并且是高烈度地震頻發(fā)地區(qū)。這就對這一地區(qū)的混凝土壩體的數(shù)值模擬和實驗方法提出了更高要求?；炷恋钠茐倪^程是非線性破壞過程，所以對混凝土壩的力學分析過程中不能忽視混凝土強度軟化的影響，而混凝土強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。本項目針對混凝土壩體裂縫的多尺度特征進行研究。采用分形等理論對混凝土壩體裂縫在多尺度下的數(shù)學和力學關系以及擴展機理進行研究。在此基礎上采用損傷理論、斷裂理論以及比例邊界有限元與有限元耦合分析技術建立地震荷載作用下混凝土壩體的多尺度裂縫開裂和擴展的數(shù)值模擬模型，并對其進行實驗分析。該成果可以廣泛應用于水工混凝土大型結構、巖體大型結構的施工以及安全評價中，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，而且具有重要的實用價值。

在系列混凝土動力本構關系實驗研究的基礎上，結合混凝土細觀數(shù)值模擬技術，深入研究地震、強風等動力荷載作用下混凝土損傷的細觀機理及其演化機制；基于多尺度方法體系，合理描述微觀裂縫演化對宏觀損傷演化的影響，探索混凝土動力損傷擴散的物理機制與多尺度隨機漲落特征；發(fā)展可以科學反映混凝土結構隨機動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構在地震、強風等災害作用下的性態(tài)、進行重大工程結構的精細化分析和控制提供科學基礎。 2100433B

當前混凝土梁橋耐久性分析的難點在于，宏觀尺度分析無法考慮混凝土的非均質(zhì)特性以及鋼筋實際銹蝕狀態(tài)，單一尺度模型不能較好的適應整體與細部構造的組合計算要求，細觀尺度模型因復雜的分析模型和較大計算量而無法拓展至整體結構，因此有必要進行多尺度數(shù)值模擬分析方法研究。 本項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，建立了考慮細觀尺度與宏觀尺度相結合的氯離子多尺度數(shù)值模擬分析方法，完成了相應的數(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，建立了格構式模型與四邊形有限元模型相結合的混凝土開裂模擬分析方法，完成了相應的數(shù)值模擬工具開發(fā)；采用以上兩類數(shù)值模擬工具實現(xiàn)了鋼筋銹脹引起混凝土開裂數(shù)值模擬，從而實現(xiàn)材料劣化的多尺度擴散研究；建立了考慮鋼筋銹蝕的混凝土結構耐久性評價方法，建立了平面銹蝕模型，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得平面銹蝕系數(shù)及非均勻銹蝕系數(shù)模型，進一步建立了混凝土結構性能評價方法。 本項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)值模擬實現(xiàn)方式，對類似物質(zhì)傳輸機理研究提供了理論基礎。同時，本項目形成了建立混凝土梁橋耐久性精細化分析方法，有利于發(fā)展混凝土橋梁耐久性設計及現(xiàn)有混凝土橋梁安全評價。 2100433B