細(xì)觀尺度上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性數(shù)值模擬

前言

第1章緒論

第2章混凝土的細(xì)觀模型

第3章混凝土耐久性數(shù)值計(jì)算方法

第4章骨料對水分傳輸過程的影響

第5章細(xì)觀尺度上的氯離子擴(kuò)散過程

第6章細(xì)觀尺度上的混凝土碳化過程

第7章細(xì)觀尺度上的鋼筋銹蝕過程

第8章工程應(yīng)用

參考文獻(xiàn) 2100433B

本書系統(tǒng)介紹了細(xì)觀尺度上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用示例。第1章回顧和總結(jié)了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第2章闡述了混凝土細(xì)觀模型的模擬方法。第3章介紹了混凝土耐久性所涉及的數(shù)值計(jì)算方法。第4~7章分別研究了細(xì)觀尺度上的水分傳輸、氯離子擴(kuò)散、混凝土碳化及鋼筋銹蝕和混凝土開裂問題。第8章給出了具體的工程實(shí)例以闡述細(xì)觀尺度方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用方式。對應(yīng)章節(jié)對關(guān)鍵概念和理論給出了詳細(xì)的解釋，并提供了關(guān)鍵程序源代碼，以便于更直接地理解細(xì)觀尺度研究的思路和方法。

在混凝土細(xì)觀隨機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(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)的全過程非線性行為，有針對性地探索尺寸效應(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。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)值模擬已經(jīng)成為目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，但絕大多數(shù)研究仍然建立在混凝土均質(zhì)材料的假定基礎(chǔ)之上。這一尺度上的研究無法考慮骨料對混凝土耐久性退化過程的影響。為了將混凝土耐久性數(shù)值模擬研究從宏觀尺度往細(xì)觀尺度上發(fā)展，首先必須建立實(shí)用的隨機(jī)骨料模擬方法，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建考慮鋼筋的混凝土細(xì)觀模型。在細(xì)觀模型研究所提供的平臺(tái)下，研究水分傳輸、氯離子傳輸、混凝土碳化、堿-骨料反應(yīng)等常見耐久性退化過程在細(xì)觀尺度上的發(fā)展過程和特點(diǎn)。定量描述骨料對這些過程的影響，并根據(jù)分析結(jié)果，對骨料級(jí)配、形態(tài)等參數(shù)提出優(yōu)化意見。課題還將在細(xì)觀尺度上研究混凝土力學(xué)性能與耐久性能的耦合機(jī)理，為宏觀尺度上相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)理論提供依據(jù)。

長期以來，混凝土材料由于其低廉的造價(jià)被廣泛的應(yīng)用在橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)當(dāng)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但其耐久性能的退化往往成為后期養(yǎng)護(hù)運(yùn)營過程中亟待解決的問題之一。本項(xiàng)目在細(xì)觀尺度上開展針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)值模擬研究，內(nèi)容涉及：（1）混凝土細(xì)觀模型的構(gòu)建；（2）混凝土耐久性退化過程在細(xì)觀尺度上的表現(xiàn)；（3）混凝土力學(xué)性能與耐久性能在細(xì)觀尺度上的耦合關(guān)系。 首先，編寫了ParticleSimu程序，支持二維圓形、橢圓、多邊形、Bezier曲線和三維球形、橢球形、多面體、圓柱體、膠囊等多種骨料形狀，并可實(shí)現(xiàn)圓柱體和立方體混凝土試件的模擬。 其次，開展了細(xì)觀尺度上的水分傳輸研究。采用中子成像技術(shù)獲取水分含量的分布云圖，明確骨料對水分傳輸路徑的扭曲效應(yīng)以及由此造成的水分含量分布的空間變異性。研究結(jié)論對細(xì)觀尺度上的氯離子擴(kuò)散和混凝土碳化研究有重要的借鑒意義。 再次，開展了細(xì)觀尺度上的氯離子擴(kuò)散和混凝土碳化過程。將擴(kuò)散鋒面和碳化鋒面的空間變異性轉(zhuǎn)化為一個(gè)安全系數(shù)，用以對平均擴(kuò)散深度和碳化深度的修正。研究了骨料長寬比、形狀、級(jí)配、用量等關(guān)鍵參數(shù)對擴(kuò)散鋒面和碳化鋒面空間變異性的影響。 然后，編寫了基于格構(gòu)式方法的Lamfa程序用于模擬混凝土材料的開裂過程。推導(dǎo)了鋼筋銹蝕的時(shí)變銹脹力模型并模擬了由此引發(fā)的混凝土開裂、保護(hù)層剝落等過程。研究了鋼筋直徑、鋼筋間距、鋼筋位置、骨料參數(shù)等對混凝土開裂過程和保護(hù)層損傷程度的影響。 最后，建立了開裂狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散等退化過程的數(shù)值模擬方法。通過一套網(wǎng)格建立了用于物質(zhì)傳輸模擬的實(shí)體單元和用于材料開裂模擬的格構(gòu)單元。通過失效的格構(gòu)單元修正其連接的實(shí)體單元的物質(zhì)傳輸系數(shù)以體現(xiàn)混凝土損傷狀態(tài)對物質(zhì)傳輸過程的影響。 通過研究，將目前的基于宏觀尺度的混凝土構(gòu)件的耐久性數(shù)值模擬研究向細(xì)觀方向發(fā)展，并推動(dòng)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。 2100433B