基于微裂縫擴(kuò)展與摩擦的混凝土隨機(jī)損傷探索中文摘要

目前混凝土塑性自由能的物理機(jī)制模糊不清，致使建立在嚴(yán)格的熱力學(xué)基礎(chǔ)之上的混凝土損傷力學(xué)陷于尷尬困境。本項(xiàng)目旨在通過描述微裂縫的摩擦行為，將塑性自由能貯存和釋放的細(xì)觀機(jī)制納入到混凝土隨機(jī)損傷研究中。沿著抽象細(xì)觀和具象細(xì)觀2條思路開展本構(gòu)關(guān)系研究，并將其用于隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析。在微彈簧束模型中創(chuàng)造細(xì)觀元件組合以代表被鎖定的塑性自由能，通過試驗(yàn)獲得自由能的釋放歷程和微彈簧束的隨機(jī)斷裂規(guī)律；在多尺度損傷理論中引入由微裂縫摩擦導(dǎo)致的細(xì)觀附加彈性應(yīng)變能，通過擴(kuò)展/廣義有限元分析跟蹤微裂縫群擴(kuò)展-摩擦-再擴(kuò)展的耦合發(fā)展過程；開展基于混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系的隨機(jī)結(jié)構(gòu)非線性分析，給出結(jié)構(gòu)反應(yīng)量的概率分布演化進(jìn)程。實(shí)現(xiàn)真正融為一體的混凝土隨機(jī)彈塑性損傷理論描述，使混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析具有更加可靠的物理基礎(chǔ)，為混凝土結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供有力工具。

針對(duì)混凝土損傷力學(xué)由于塑性自由能的物理機(jī)制模糊不清而裹足不前的困境，本項(xiàng)目開展了以下幾方面的研究：抽象細(xì)觀方面，尋求彈塑性自由能的簡化直觀表示，探索細(xì)觀彈簧的隨機(jī)斷裂規(guī)律，得到宏觀損傷變量的隨機(jī)演化函數(shù)。具象細(xì)觀方面，尋求彈塑性自由能的細(xì)觀直接描寫，從細(xì)觀彈性應(yīng)變能推導(dǎo)宏觀彈塑性自由能，尋找具有細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)的宏觀損傷演化規(guī)律。將細(xì)觀模型植入宏觀損傷理論框架，構(gòu)建完整的3維彈塑性隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系，發(fā)展隱式、半隱式回映積分算法。為非線性隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析中采用的代表性樣本點(diǎn)的選擇，構(gòu)造點(diǎn)群識(shí)別算法。嘗試將隨機(jī)本構(gòu)用于隨機(jī)結(jié)構(gòu)。開展鋼管混凝土構(gòu)件試驗(yàn)作為對(duì)照。 本項(xiàng)目從細(xì)觀角度揭示了塑性自由能的物理本質(zhì)，避免了目前尚難以實(shí)際開展的非連續(xù)介質(zhì)有限元分析，為彈塑性自由能給出了便于使用的半解析表達(dá)式。抽象細(xì)觀自由能函數(shù)具有明確的物理意義而令人信服，為本構(gòu)關(guān)系奠定了更為堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，為發(fā)展多尺度隨機(jī)損傷力學(xué)提供了一條新的途徑。本項(xiàng)目通過對(duì)微裂縫擴(kuò)展與摩擦的抽象細(xì)觀描述，合理反映拉、剪、壓不同損傷機(jī)制，建立起公開發(fā)表的文獻(xiàn)中首個(gè)全面反映混凝土單邊效應(yīng)和約束效應(yīng)的本構(gòu)模型，為混凝土結(jié)構(gòu)（隨機(jī)）非線性分析提供了有力的基礎(chǔ)理論和實(shí)用工具。本項(xiàng)目的點(diǎn)群識(shí)別算法可減少所需代表點(diǎn)的數(shù)目，因而有助于控制今后大規(guī)模開展隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算量。

粗骨料的隨機(jī)分布造成混凝土材料的不均質(zhì)性，影響裂縫擴(kuò)展規(guī)律，進(jìn)而改變混凝土宏觀斷裂特性，這在全級(jí)配大骨料混凝土中體現(xiàn)得尤為明顯。本項(xiàng)目擬采用宏觀斷裂力學(xué)從細(xì)觀層次研究裂縫擴(kuò)展過程，提出以應(yīng)力強(qiáng)度因子為參量的復(fù)合型裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則，以判別混凝土不同介質(zhì)（砂漿、骨料及界面）在復(fù)雜應(yīng)力場下裂縫擴(kuò)展模式，重點(diǎn)研究裂縫尖端遇到骨料時(shí)產(chǎn)生的三種擴(kuò)展路徑，即裂縫穿過骨料、沿界面擴(kuò)展至砂漿及沿界面擴(kuò)展至骨料，以及不同擴(kuò)展路徑對(duì)裂縫演化、宏觀斷裂性能的影響。通過試驗(yàn)研究界面軟化本構(gòu)關(guān)系、細(xì)觀斷裂過程區(qū)形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上探討混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀斷裂能之間的關(guān)系，發(fā)展基于細(xì)觀層次的虛擬裂縫粘聚力的分離裂縫模型，結(jié)合理論分析實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)破壞的全過程模擬。本項(xiàng)目提出的方法克服了宏觀力學(xué)無法解釋裂縫擴(kuò)展規(guī)律及細(xì)觀力學(xué)難以獲取界面力學(xué)參數(shù)的困難，為評(píng)價(jià)全級(jí)配大骨料混凝土結(jié)構(gòu)安全性提供了一個(gè)新的思路。

本書系統(tǒng)論述混凝土損傷力學(xué)的基本理論與最新研究成果，內(nèi)容包括：應(yīng)力—應(yīng)變分析，彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)，損傷力學(xué)基本原理，混凝土確定性損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土動(dòng)力損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值算法，混凝土框架結(jié)構(gòu)分析，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)分析，混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)分析，混凝土結(jié)構(gòu)隨機(jī)非線性分析。

開展了砂漿-巖石界面抗拉強(qiáng)度、斷裂特性試驗(yàn)研究，分析了界面粗糙度、砂漿強(qiáng)度、巖石種類對(duì)界面參數(shù)的影響，并設(shè)計(jì)預(yù)埋骨料試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到了裂縫尖端遇到骨料后不同的裂縫擴(kuò)展路徑。進(jìn)行了巖石的斷裂試驗(yàn)，驗(yàn)證基于材料起裂韌度的裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則在巖石材料中的適用性，并提出了以裂縫口張開位移為控制變量的計(jì)算方法，避免了粘聚力的迭代運(yùn)算，提高了計(jì)算精度與計(jì)算效率。設(shè)置垂直雙材料界面裂縫試件，探究了裂縫尖端在界面時(shí)的擴(kuò)展準(zhǔn)則，后將界面單獨(dú)作為一相材料，采用應(yīng)力外推法得到界面的斷裂韌度，研究界面斷裂韌度的尺寸效應(yīng)?；诒菊n題組提出的基于材料起裂韌度的裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則，采用數(shù)值方法得到裂縫擴(kuò)展全過程的p-cmod曲線，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則的在多相材料中的準(zhǔn)確性。最后，將裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則用于隨機(jī)模型以探究混凝土非均勻性對(duì)裂縫擴(kuò)展過程的影響，通過統(tǒng)計(jì)分析得到極限荷載、斷裂過程區(qū)長度等要素的概率分布函數(shù)，為工程檢測和工程可靠性分析提供依據(jù)。本項(xiàng)目的課題研究對(duì)評(píng)估細(xì)觀層次的混凝土裂縫擴(kuò)展規(guī)律和機(jī)理具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B