混凝土初始損傷及損傷參數(shù)的尺寸效應(yīng)研究項(xiàng)目摘要

混凝土結(jié)構(gòu)在施工和服役過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生損傷。目前，在對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性分析時(shí)，大多因初始損傷難以確定而予以忽略，這將直接影響結(jié)構(gòu)損傷分析的結(jié)果，而涉及混凝土初始損傷的文獻(xiàn)甚少。此外，損傷參數(shù)的確定大多基于實(shí)驗(yàn)室的小尺寸試件試驗(yàn)，而實(shí)際工程中需要用損傷參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析的又多是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸效應(yīng)對(duì)損傷參數(shù)的影響不可忽略。本項(xiàng)目將研究混凝土初始損傷問(wèn)題，并進(jìn)行損傷參數(shù)及其尺寸效應(yīng)研究。通過(guò)對(duì)混凝土試件的試驗(yàn)，建立描述混凝土初始損傷的分析模型，提出一種確定初始損傷值的方法；通過(guò)不同尺寸混凝土試件的試驗(yàn)，研究損傷參數(shù)及其與尺寸的關(guān)系，建立實(shí)驗(yàn)室小尺寸試件損傷參數(shù)與工程結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。應(yīng)用所確定的初始損傷及損傷參數(shù)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的損傷場(chǎng)分析，驗(yàn)證研究成果的合理性。為建立適用于工程結(jié)構(gòu)的損傷分析模型奠定基礎(chǔ)，為大型工程結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

在混凝土細(xì)觀隨機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，深入研究混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)，建立合理的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的描述方法；在此基礎(chǔ)上，基于固體計(jì)算力學(xué)最新發(fā)展的細(xì)觀模擬方法，精細(xì)模擬混凝土細(xì)觀裂縫群的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，研究混凝土細(xì)觀應(yīng)力隨機(jī)重分布規(guī)律；基于多尺度理論，選取合適的狀態(tài)變量作為尺度間的橋梁，從細(xì)觀數(shù)值模擬結(jié)果出發(fā)求解宏觀損傷隨機(jī)演化規(guī)律，并與多維連續(xù)損傷模型相結(jié)合，構(gòu)成多尺度隨機(jī)損傷模型的完整體系；采用所建立的多尺度隨機(jī)損傷模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)的全過(guò)程非線性行為，有針對(duì)性地探索尺寸效應(yīng)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)非線性分析難以處理的問(wèn)題，為結(jié)構(gòu)非線性分析與設(shè)計(jì)提供理論工具與技術(shù)支持。

混凝土的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料的宏觀損傷演化有著顯著的影響，而混凝土材料損傷的產(chǎn)生和發(fā)展是結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)力災(zāi)變的根本原因之一。本項(xiàng)目研究從混凝土的微-納觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)測(cè)試了混凝土微-納觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)?；陔S機(jī)場(chǎng)理論，對(duì)混凝土的微-納觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的解構(gòu)和分析，提取了混凝土細(xì)觀隨機(jī)結(jié)構(gòu)的分布和相關(guān)特性，進(jìn)而為基于隨機(jī)諧和函數(shù)方法進(jìn)行混凝土細(xì)觀斷裂隨機(jī)場(chǎng)的建模提供了控制參數(shù)取值。引入內(nèi)聚單元方法對(duì)混凝土細(xì)觀斷裂隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行離散，對(duì)混凝土的細(xì)觀力學(xué)行為進(jìn)行了精細(xì)的數(shù)值模擬。進(jìn)而基于多尺度理論，提出了多尺度能量積分，基于混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬結(jié)果得到宏觀損傷演化，研究了宏觀損傷演化與單元體幾何尺度的依賴(lài)性，發(fā)展了數(shù)值尺寸效應(yīng)的概念。最后，利用基于細(xì)觀分析結(jié)果得到的多尺度損傷演化規(guī)律進(jìn)行結(jié)構(gòu)的宏觀動(dòng)力災(zāi)變模擬。特別研究了蘇州中南中心等超高層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的非線性行為和倒塌全過(guò)程。通過(guò)本項(xiàng)目研究，混凝土多尺度損傷理論已經(jīng)基本成型，并且在結(jié)構(gòu)分析和模擬中取得了應(yīng)用。 2100433B

本研究以試驗(yàn)方法為主，數(shù)值方法為輔，對(duì)不同脆性的混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，著重研究脆性改善對(duì)混凝土強(qiáng)度，特別是在較大尺度上對(duì)混凝土實(shí)際承載能力的提高作用。試驗(yàn)證實(shí)了脆性對(duì)混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響，表明脆性實(shí)際上也影響混凝土的承載能力，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果還表明，聚合物混凝土和鋼纖維混凝土因?yàn)楦纳苹炷恋拇嘈裕虼嗽谑褂贸叨壬鲜怯欣诔休d能力提高。研究還揭示，混凝土強(qiáng)度與斷裂韌性尺寸效應(yīng)兩者間存在一定關(guān)系，因此可由強(qiáng)度尺寸效應(yīng)來(lái)得到真實(shí)斷裂韌性；不同荷載狀態(tài)下，因?yàn)槠茐臅r(shí)能量耗散的程度不同，因此尺寸效應(yīng)規(guī)律也不同。本研究結(jié)果對(duì)高強(qiáng)和超高強(qiáng)混凝土的研究與應(yīng)用有一定的參考意義。 2100433B