多場耦合下混凝土結(jié)構(gòu)損傷斷裂研究.pdf

1、目前，在幾乎所有工程領(lǐng)域，混凝土是最為常用的材料，如碼頭、大壩、建筑、道路、橋梁、機(jī)場、基礎(chǔ)等大型工程的建設(shè)無不需要大量混凝土材料，其作用是其它材料無法替代的。然而，諸多的病害存在于正在服役的許多大型混凝土結(jié)構(gòu)之中，結(jié)構(gòu)的安全受到嚴(yán)重的影響。因此，工程界和學(xué)術(shù)界研究的熱點問題之一是對混凝土結(jié)構(gòu)病害機(jī)理、損傷演化及斷裂破壞的研究?；炷恋钠茐氖且粋€連續(xù)過程，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷之后會引發(fā)裂紋最終導(dǎo)致斷裂破壞，所以對混凝土破壞過程的研究應(yīng)將損

2、傷與斷裂結(jié)合起來考慮。本文通過理論分析、數(shù)值模擬仿真及實測數(shù)據(jù)分析來研究在多荷載場作用下混凝土結(jié)構(gòu)損傷斷裂的破壞過程，分為以下幾個方面進(jìn)行研究:
　　1、對混凝土結(jié)構(gòu)損傷和斷裂這一連續(xù)過程的研究。以能量的觀點來看，混凝土材料從損傷演化到斷裂破壞的過程中伴隨著能量耗散。在損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)中，能量耗散是由能量釋放率加以描述的，所以能量釋放率是損傷和斷裂之間聯(lián)系的紐帶。混凝土結(jié)構(gòu)在外荷載作用下首先出現(xiàn)損傷區(qū)，在其內(nèi)部會演化為一個臨界狀

3、態(tài)，之后損傷區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生宏觀裂紋。以此觀點，在臨界狀態(tài)可以建立兩個不同過程能量釋放的關(guān)系等式，從理論上說明損傷與斷裂的關(guān)系?？梢哉f，裂紋是隨著能量的釋放在損傷區(qū)內(nèi)部逐漸孕育的。
　　2、對混凝土材料Ⅰ型裂紋進(jìn)行了損傷斷裂的耦合研究。材料的損傷演化是一個連續(xù)的過程，但有些損傷模型為了研究的方便并未考慮材料損傷演化的連續(xù)性，本文對多種混凝土損傷模型進(jìn)行了比較研究，找到適合于損傷斷裂耦合分析的混凝土損傷模型，應(yīng)用Loland損傷模型和分段

4、曲線損傷模型將損傷變量引入混凝土材料Ⅰ型裂紋尖端附近微裂區(qū)公式。確定了在不同損傷程度的情況下，裂紋尖端微裂損傷區(qū)的范圍，分析了損傷半徑與損傷變量的關(guān)系，比較分析了兩種混凝土損傷模型計算的損傷半徑。
　　3、建立有限元模型確定混凝土材料Ⅰ型裂紋的損傷半徑。采用Ansys和Msc.Marc兩種大型通用有限元軟件建立混凝土材料的二維和三維裂紋模型，進(jìn)行混凝土材料損傷演化的數(shù)值模擬試驗，運用軟件提供的二次開發(fā)功能實現(xiàn)單元的損傷演化過程，通

5、過設(shè)定多個步驟的求解逐漸使單元劣化，進(jìn)而得到不同損傷變量下的損傷半徑。
　　4、以大型工程實例為背景研究大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力耦合場。大體積混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會造成結(jié)構(gòu)的早期損傷和微裂紋的出現(xiàn)，嚴(yán)重時會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，本文通過對大體積混凝土溫度應(yīng)力場的數(shù)值仿真分析，研究混凝土在澆筑后溫度場及應(yīng)力場的分布規(guī)律，分析有可能出現(xiàn)損傷及裂紋的部位。另外，以天興洲大橋下部結(jié)構(gòu)為研究對象，通過數(shù)值計算獲得薄壁寬墩、塔座及承臺在

6、澆筑后的溫度應(yīng)力場的分布情況，分析了加入不同布置形式冷卻水管的降溫效果，為實際工程大體積混凝土降溫及早期防裂提供了依據(jù)。
　　5、通過對現(xiàn)役混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的檢測研究其病害產(chǎn)生的機(jī)理。正在服役的許多橋梁存在著病害，本文以三江橋的檢測和動靜載試驗結(jié)果研究混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生機(jī)理。在檢測中發(fā)現(xiàn)，混凝土梁體的強(qiáng)度推定值全部在40MPa以上，動靜載試驗的結(jié)果表明，橋梁滿足正常使用的要求。然而，混凝土箱梁和T梁的某些部位依然出現(xiàn)貫穿裂紋，