混凝土細觀損傷模擬與數(shù)值尺寸效應研究

混凝土的細微觀結構對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生和發(fā)展是結構發(fā)生動力災變的根本原因之一。本項目研究從混凝土的微-納觀結構出發(fā)，采用現(xiàn)代試驗技術測試了混凝土微-納觀結構的力學性質?；陔S機場理論，對混凝土的微-納觀試驗數(shù)據(jù)進行了詳細的解構和分析，提取了混凝土細觀隨機結構的分布和相關特性，進而為基于隨機諧和函數(shù)方法進行混凝土細觀斷裂隨機場的建模提供了控制參數(shù)取值。引入內聚單元方法對混凝土細觀斷裂隨機場進行離散，對混凝土的細觀力學行為進行了精細的數(shù)值模擬。進而基于多尺度理論，提出了多尺度能量積分，基于混凝土細觀數(shù)值模擬結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性，發(fā)展了數(shù)值尺寸效應的概念。最后，利用基于細觀分析結果得到的多尺度損傷演化規(guī)律進行結構的宏觀動力災變模擬。特別研究了蘇州中南中心等超高層結構在強震作用下的非線性行為和倒塌全過程。通過本項目研究，混凝土多尺度損傷理論已經基本成型，并且在結構分析和模擬中取得了應用。 2100433B

在混凝土細觀隨機結構實驗觀測的基礎上，深入研究混凝土細觀結構的組成特點，建立合理的混凝土細觀結構的描述方法；在此基礎上，基于固體計算力學最新發(fā)展的細觀模擬方法，精細模擬混凝土細觀裂縫群的產生和發(fā)展過程，研究混凝土細觀應力隨機重分布規(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，從細觀數(shù)值模擬結果出發(fā)求解宏觀損傷隨機演化規(guī)律，并與多維連續(xù)損傷模型相結合，構成多尺度隨機損傷模型的完整體系；采用所建立的多尺度隨機損傷模型模擬混凝土結構的全過程非線性行為，有針對性地探索尺寸效應等傳統(tǒng)結構非線性分析難以處理的問題，為結構非線性分析與設計提供理論工具與技術支持。

混凝土結構在施工和服役過程中都會產生損傷。目前，在對結構的安全性分析時，大多因初始損傷難以確定而予以忽略，這將直接影響結構損傷分析的結果，而涉及混凝土初始損傷的文獻甚少。此外，損傷參數(shù)的確定大多基于實驗室的小尺寸試件試驗，而實際工程中需要用損傷參數(shù)對結構的安全性進行分析的又多是大體積混凝土結構，尺寸效應對損傷參數(shù)的影響不可忽略。本項目將研究混凝土初始損傷問題，并進行損傷參數(shù)及其尺寸效應研究。通過對混凝土試件的試驗，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；通過不同尺寸混凝土試件的試驗，研究損傷參數(shù)及其與尺寸的關系，建立實驗室小尺寸試件損傷參數(shù)與工程結構損傷參數(shù)的轉換關系式。應用所確定的初始損傷及損傷參數(shù)進行混凝土結構的損傷場分析，驗證研究成果的合理性。為建立適用于工程結構的損傷分析模型奠定基礎，為大型工程結構的安全性評價提供科學依據(jù)。 2100433B

對混凝土試件動態(tài)性能進行細觀數(shù)值模擬對指導高拱壩的抗震設計具有重要意義，但由于離散網格規(guī)模巨大，導致稀疏線性方程組求解所需時間在整體細觀數(shù)值模擬時間中占95%以上，研究高效并行預條件方法減少線性方程組求解時間是加快數(shù)值模擬的必由之路。.本項目針對非結構化網格下混凝土細觀數(shù)值模擬程序中的對稱正定稀疏線性方程組，基于圖分割算法，研究將子圖擴展為重疊子圖時的最佳重疊方式，采用對子圖間與子圖內節(jié)點進行綜合排序的方法，控制非零元素離對角元的距離，并在分析加性Schwarz并行預條件不能趨近對應串行預條件機理的基礎上，對局部分解因子研究最佳的舍棄策略與組裝方法，構筑對稱正定且隨重疊度增加趨近于對應串行預條件的并行不完全分解預條件。同時，基于混凝土細觀數(shù)值模擬中稀疏線性方程組的特點，分析系數(shù)矩陣中元素之間的相互關系，研究粗網格構造方法，設計粗網格校正算子作用到向量上的并行算法，進一步改進并行預條件。