周期性溫濕度作用下混凝土材料濕熱耦合變形開裂研究

混凝土材料自身收縮變形引起的混凝土裂縫占較大比例，穩(wěn)定的體積變形是高強高性能混凝土或中低強度混凝土高性能化的重要標(biāo)志之一?；炷恋氖湛s開裂問題難以解決的原因之一在于未能抓住“服役期混凝土在環(huán)境溫濕度及結(jié)構(gòu)荷載耦合作用下的類疲勞損傷效應(yīng)”這一解決混凝土結(jié)構(gòu)實際使用環(huán)境條件下混凝土變形開裂的本質(zhì)問題。本項目旨在開展混凝土材料的濕熱耦合變形開裂研究，揭示周期性溫濕度作用下混凝土材料變形開裂機(jī)理。圍繞周期性溫濕度作用下混凝土濕熱耦合變形開裂，在已有研究成果基礎(chǔ)上，著重開展了混凝土濕熱傳輸、溫濕度場、溫濕度應(yīng)力、濕熱耦合變形和濕熱應(yīng)力疲勞損傷演化基本理論和計算模擬的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，主要包括：基于多孔介質(zhì)濕熱傳輸原理的混凝土濕熱傳輸模型；溫濕度耦合作用下混凝土濕熱傳輸原理及耦合模型；周期性溫濕度作用下混凝土濕熱耦合傳輸及變形數(shù)值模擬；周期性溫濕度作用下的混凝土濕熱合變形及材料損傷演化理論初步研究；混凝土在周期性溫濕度作用下的開裂過程、機(jī)理的初步研究。預(yù)期計劃中的試驗部分未能全部完成，隨著項目研究的深入和試驗條件等的改善，將繼續(xù)開展相關(guān)研究，以期取得系統(tǒng)全面的研究結(jié)果。當(dāng)前相關(guān)研究的主要結(jié)果如下： （1）根據(jù)水泥石內(nèi)部典型孔分布情況，認(rèn)為在分析水泥石內(nèi)部濕熱傳輸時必須考慮濕度的Knudsen擴(kuò)散，并分析了考慮Knudsen擴(kuò)散的內(nèi)部濕傳輸機(jī)理，建立了相應(yīng)的濕傳輸模型； （2）參考熱膨脹系數(shù)的定義，考慮到實際應(yīng)用的方便性，初步提出了混凝土濕膨脹系數(shù)的概念、定義和理論計算公式的推導(dǎo)； （3）基于多孔介質(zhì)濕熱傳輸原理和水泥石濕熱傳輸模型，研究了混凝土材料濕熱耦合變形數(shù)值模擬方法，并通過算例分析進(jìn)行了驗證； （4）結(jié)合實際環(huán)境溫濕度變化特點，提出了周期性溫濕度作用的類疲勞效應(yīng)、混凝土在周期性溫濕度環(huán)境和約束條件的變形開裂機(jī)理。 本項目提出了混凝土體積變形數(shù)值模擬的新途徑，提出了混凝土濕膨脹系數(shù)的概念、定義和理論計算公式，提出了溫濕度應(yīng)力損傷概念和周期性溫濕度作用的類疲勞效應(yīng)，為解決大體積和大面積混凝土工程裂縫、增強結(jié)構(gòu)耐久性提供理論支撐，對混凝土變形開裂機(jī)理和混凝土計算材料學(xué)的研究與發(fā)展有重要的科學(xué)意義。 2100433B

本項目立足于大面積、大體積混凝土材料在環(huán)境溫濕度作用下的變形開裂理論、數(shù)值模擬方法的創(chuàng)新，對混凝土材料變形開裂性能進(jìn)行研究。采用理論分析、模擬試驗與數(shù)值計算相結(jié)合的方法，從混凝土的多孔介質(zhì)特點出發(fā)，根據(jù)多孔介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)相關(guān)原理，深入研究周期性變化溫濕度作用下混凝土材料的體積變形行為及邊界受限時的開裂機(jī)理：系統(tǒng)分析濕擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等因素對混凝土材料濕熱耦合變形行為的影響，提出混凝土內(nèi)部溫濕度分布、濕熱耦合變形計算新方法，建立混凝土材料溫濕度應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型；繼而開展混凝土板在周期性溫濕度變化作用下的內(nèi)部損傷演化分析、變形開裂試驗等，揭示周期性溫濕度作用下混凝土材料變形開裂機(jī)理。本項目研究將為混凝土材料變形開裂機(jī)理分析、數(shù)值模擬提供新的途徑，對解決大體積和大面積混凝土工程裂縫、增強結(jié)構(gòu)耐久性具有重要的實際意義，同時對混凝土計算材料學(xué)的發(fā)展也有重要的科學(xué)意義。

一般認(rèn)為洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)不少隧道洞身段也發(fā)生開裂破壞，甚至倒塌。究其原因，主要是這些隧道穿越地層條件多為斷層破碎帶。項目以西部高烈度地震區(qū)和活動斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對象，從隧道動力學(xué)、地震工程學(xué)及地質(zhì)學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合汶川地震跨斷層隧道震害調(diào)查資料，采用地震模擬振動臺試驗和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究地震與活動斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)理與控制對策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評價方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動性與抗震性耦合技術(shù)，實現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時的大變形吸能能力的合理均衡。項目預(yù)期將建立隧道安全性評價理論、方法以及災(zāi)害控制對策。項目的研究對于深入揭示活動斷層區(qū)隧道地震破壞機(jī)理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

本項目通過三年的研究工作，已完成項目計劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風(fēng)險層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過斷層活動與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評價體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動斷層隧道的地震動力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動臺試驗，提出了分級量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計參數(shù)。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計算力學(xué)學(xué)報學(xué)報(EI收錄)、土木工程學(xué)報(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學(xué)術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

我國建設(shè)的深水橋梁多處于地震多發(fā)區(qū)，地震作用下深水橋梁墩-水耦合振動的研究很少，相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范不完善，急需在該方面展開深入研究。本項目在前期研究的基礎(chǔ)上，基于輻射波浪理論，推導(dǎo)多邊形、圓端形、橢圓形橋墩附加動水壓力半解析解計算方法，采用ANSYS WORKBENCH ANSYS CFX ANSYS Mechanical對復(fù)雜幾何形狀橋墩附加動水壓力進(jìn)行數(shù)值計算。并在此基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有計算程序進(jìn)行二次開發(fā)，研制專門針對墩-水耦合附加動水壓力數(shù)值計算的軟件，并采用該軟件對附加動水壓力的影響因素，如自由表面重力波等進(jìn)行分析。利用分析結(jié)果，并參考各國附加動水壓力的相關(guān)規(guī)范，對規(guī)則幾何形狀橋墩附加動水壓力半解析計算方法進(jìn)行簡化，提出適用于工程的合理、高效的簡便計算方法。該方面的研究將進(jìn)一步完善墩-水耦合振動理論，并對我國橋梁抗震設(shè)計、橋梁抗震規(guī)范的制定具有重要的參考價值。