细观裂纹扩展致混凝土材料与结构失效的多尺度分析方法
本文选题：混凝土 切入点：失效 出处：《东南大学》2015年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：混凝土是由水泥砂浆基质与骨料组成的一种复合材料,在宏观尺度下分析时一般将其假设为连续均匀的固体,忽略材料内部在细观尺度下存在的大量细观裂纹。这些细观裂纹主要分布在基质与骨料之间的界面上,在混凝土材料和结构服役过程中会发生裂纹跨尺度扩展。因此,混凝土材料与结构的失效是以这些细观裂纹为主导的损伤从细观尺度到宏观尺度的跨尺度演化导致的。基于混凝土材料细观结构特性和失效机理,对以细观裂纹扩展为主导的材料损伤跨尺度演化致混凝土结构失效的过程进行分析,进而探讨损伤跨尺度演化对混凝土构件与结构宏观力学性能的影响,是研究混凝土损伤演化过程和失效机理的关键。本文从混凝土材料损伤与破坏机理出发,基于混凝土细观裂纹扩展模型和数值分析方法,分别模拟分析了在混凝土材料、构件、结构层次上损伤跨尺度演化致失效的过程,探讨了损伤跨尺度演化对混凝土材料、构件、结构的不同层次上宏、细观力学性能的影响。本文完成的主要工作及成果有：1.应用断裂力学和损伤力学的概念、方法分析了不同尺度下混凝土材料损伤与破坏的特征；在对比分析了现有的各种混凝土材料细观模型的基础上,选择了从混凝土失效机理出发的细观多裂纹模型作为本文数值分析研究的工具。应用细观多裂纹模型,首先计算分析了细观裂纹主导的损伤跨尺度演化致混凝土材料失效的过程。在验证了模型有效性的基础上,结合宏、细观损伤分析方法定量分析了损伤跨尺度演化过程,并对不同配合比的混凝土试样进行了单轴拉伸过程的数值模拟。研究结果表明,混凝土在单轴拉伸作用下材料内部基质与骨料之间的界面上的细观裂纹经历了分布式生长、细观裂纹聚合、宏观裂纹形成与扩展、发生断裂的损伤跨尺度演化过程,与之同时试样的宏观力学响应则对应地经历了线弹性响应阶段、非线性强化阶段、软化阶段和应变跳回(Snap-back)现象；通过以损伤导致有效承载面积减少的方式建立宏、细观损伤变量之间的联系,揭示了损伤演化的非线性串级发展过程及其对混凝土材料宏观力学性能的影响,发现随着损伤的增加,混凝土材料变形的延展性增大,强度减小,破坏模式趋复杂。2.在损伤演化致混凝土材料失效分析的基础上,进而计算分析了受弯混凝土构件损伤跨尺度演化致失效的过程。分别对含初始宏观裂纹和不含初始宏观裂纹的混凝土梁损伤受弯曲变形过程进行数值分析,建立了受弯混凝上构件损伤演化的多尺度模拟方法并进行了尺寸效应对混凝土梁力学性能影响的数值试验：基于混凝土疲劳破坏机理和简化的Paris疲劳裂纹扩展准则,改进了混凝土材料细观多裂纹模型并进行了混凝土梁疲劳裂纹扩展的数值试验。研究结果表明,在混凝土梁构件中,以细观裂纹扩展为主导的损伤跨尺度演化首先引起局部较不利位置混凝土材料的失效,随着发生局部材料失效的区域逐渐扩大,混凝土梁的抗弯承载能力逐步下降,最后导致混凝土梁在构件层次的失效；发生在不同尺寸受弯混凝土构件中的损伤跨尺度非线性串级发展导致了混凝土梁的尺寸效应,随着混凝土梁试样尺寸的增大,其名义强度减小,断裂能增大,且宏观力学性能数据的离散度减小；在不同疲劳应力水平作用下混凝土梁的疲劳损伤演化和最终破坏形态存在差异;以混凝土梁抗弯刚度的退化程度来描述其疲劳损伤能得到混凝土试样的疲劳损伤演化曲线,发现第i次循环加载造成的损伤量与其之前所处的损伤状态有关：基于数值试验拟合得到的S-N曲线能估计单一应力水平下混凝十梁的疲劳寿命,而基于疲劳损伤累积分析方法能估计复杂应力水平加载下混凝土梁的疲劳寿命。3.在混凝土材料与构件损伤演化致失效分析的基础上,进而研究了混凝土坝体结构损伤跨尺度演化过程的多尺度分析方法。基于均匀化理论建立了混凝土重力坝损伤演化的多尺度分析模型,探讨了其在水平地震力、垂直地震力、洪水作用下坝体结构中的损伤分布,并分别模拟了其损伤跨尺度演化致结构失效的过程。研究结果表明,选取合适的代表性体元使其包含足够的细观裂纹进行分析,就能够既在细观层次上考虑混凝土材料的三相特性和细观缺陷特征,又能够在宏观结构层次上将混凝土重力坝的材料近视视为均质材料；在不同的工况下,重力坝结构中由细观裂纹扩展为主导的损伤跨尺度演化过程与最终破坏形态存在着差异,且损伤演化主要集中在坝头、坝踵以及上下游坝面等拉应力较大区域,在大坝的设计及优化中应当考虑这些损伤演化特性提出相应的加固措施。综上所述,本文发展的基于细观多裂纹模型进行细观裂纹扩展致材料与结构失效的多尺度分析方法,同时考虑了细观尺度和宏观尺度下的损伤特征,能够从材料、构件、结构层次揭示混凝土损伤跨尺度演化致失效的过程和机理；并通过应用于受弯混凝土构件力学性能分析,成功的揭示了混凝土构件损伤跨尺度演化引起的力学性能的尺寸效应,也能揭示循环荷载作用下混凝土受弯构件的疲劳损伤跨尺度演化特性,结合均匀化理论可初步开展坝体混凝土结构的损伤演化多尺度分析,并依据获得的分析结果给水坝结构工程的安全设计提出指导性建议。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU528
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 沈桃;;新型混凝土材料的性能研究[J];科技创新导报;2009年17期
2 王艳;;混凝土材料的发展与展望[J];河南科技;2010年22期
3 张红;;混凝土材料:设计是关键 人才是命脉——“徐工杯”第三届全国混凝土设计大赛将办[J];混凝土世界;2012年02期
4 ;同济大学混凝土材料研究国家重点实验室通过验收[J];同济大学学报(热能工程版);1995年06期
5 卜丽芳;新型混凝土材料[J];江西建材;1997年02期
6 叶志明;混凝土材料裂纹尖端损伤带尺寸特性[J];应用数学和力学;1998年01期
7 杨静,冯乃谦;21世纪的混凝土材料——环保型混凝土[J];混凝土与水泥制品;1999年02期
8 胡时胜,王道荣,刘剑飞;混凝土材料动态力学性能的实验研究[J];工程力学;2001年05期
9 唐明,陈勇;论混凝土材料的高功能化[J];混凝土;2001年03期
10 严碧歌,袁益民,李泉臻;混凝土材料结构超声检测[J];西北大学学报(自然科学版);2002年01期
相关会议论文 前10条
1 胡时胜;;研究混凝土材料动态力学性能的实验技术[A];Hopkinson杆实验技术研讨会会议论文集[C];2007年
2 马忠忠;周富生;;混凝土材料对结构裂缝的影响分析[A];土木建筑学术文库(第15卷)[C];2011年
3 仇新刚;马孝轩;;混凝土材料在酸性和中碱性土壤中腐蚀规律对比试验研究[A];第五届全国混凝土耐久性学术交流会论文集[C];2000年
4 华雪;曹毅;夏逸平;陶西贵;;侵彻混凝土材料的工程费效比分析[A];第16届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）[C];2007年
5 刘长春;吕和祥;关萍;;含有率效应的混凝土材料的粘塑性统一本构模型[A];第16届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）[C];2007年
6 郭力;李万金;郭小明;糜长稳;;考虑内部界面影响的混凝土材料损伤破坏过程研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
7 姚武;;混凝土材料性能的现代测试技术与方法[A];2013年全国建材建工测试与评价新方法、新技术、新设备技术交流会会议资料集[C];2013年
8 阎培渝;;混凝土结构耐久性评价和混凝土材料耐久性指标检测[A];2013年全国建材建工测试与评价新方法、新技术、新设备技术交流会会议资料集[C];2013年
9 刘海峰;宁建国;;冲击荷载下混凝土材料一维本构模型[A];第十二届现代数学和力学会议论文集[C];2010年
10 马孝轩;冷发光;仇新刚;;混凝土材料在土壤环境中腐蚀的试验研究[A];混凝土结构耐久性设计与施工——土建结构工程安全性与耐久性科技论坛论文集[C];2001年
相关重要报纸文章 前10条
1 ;混凝土材料与人居环境[N];中国建材报;2004年
2 陈兴义;论传统混凝土材料的未来发展趋势[N];建筑时报;2011年
3 ;混凝土材料要走可持续发展之路[N];中国建材报;2001年
4 记者 韩庆s⊥ㄑ对，
本文编号：1582914
本文链接：https://www.wllwen.com/jingjilunwen/jianzhujingjilunwen/1582914.html
