动荷载作用下全级配混凝土细观开裂机理研究

One of the critical and basic works for the capability evaluation of concrete dams is the crack initiation and propagation of fully-graded concretes under seismic loads. At present, most studies mainly adopt the numerical methods to investigate crack initiation and propagtion of concretes with certain conditions at home and abroad. However, due to the typical nonlinear characteristics of fully-graded concretes, the numerical results cannot indicate accurately the actual action of crack initiation and propagation for concretes. Thus, the experiments based on the advanced physical model express its importance for those studies on the dynamic crack initiation and propagation of fully-graded concretes. The concrete is considered as a three-phase composite material consisting of the aggregate particles with different grades, the cement matrix and the interfacial transition zone (ITZ) in this project. The modern optical measurement technique called digital image correlation (DIC) and the advanced experimental instrument are used to investigate the strain field at the crack tip and the crack initiation and propagation under dynamic loads in fully-graded concrete composites. On the basis of the success of the measurement, we intend to construct a novel enrichment functions for these elements partitioned by cracks or containing crack tips. Then, the dynamic extended finite element methods (XFEM) will be implemented to simulate the crack initiation and propagation of concrete composites under dynamic loads. The outcome of this project can indicate the failure process and failure mechanism of concrete composites at mesoscale. Also, the scientific basis can be provided for the safety evaluation of concrete dams under seismic loads.

地震荷载作用下全级配混凝土动态开裂与扩展是混凝土坝性能评价的关键基础性工作。目前，国内外多采用数值方法对混凝土的开裂与扩展进行特定条件下的分析研究。然而，鉴于全级配混凝土具有典型的非线性特征，数值分析结果往往不能准确反映实际的开裂与扩展动态行为。从而，先进物理模型试验基础上的全级配混凝土动态开裂与扩展机理研究具有突出的重要性。本课题将全级配混凝土看成由不同级配骨料、砂浆以及界面组成的复合材料，拟采用先进的数字图像相关技术（DIC），借助先进的非接触光测实验仪器，对动载下全级配混凝土试件缝端应变场和裂纹扩展过程进行全场测量，基于得到的全场位移分布的变化过程，提取缝端位移变化规律和特点，进而构造混凝土复合材料缝端位移场分布函数，并研制适合于混凝土动态开裂与扩展的新型扩展有限元数值分析模块。预期成果能够揭示动载下混凝土开裂破坏的细观过程和物理机制，对地震荷载作用下混凝土坝性能评价提供科学依据。

本项目针对大体积混凝土的静、动态特性和破坏机理开展了系列研究，运用数值模拟、试验相结合的手段，在以下方面取得了系列成果：.为了研究地震、风和波浪等低周往复荷载对混凝土力学性能的影响，本项目在研究过程中发明了一种能够施加往复动荷载的紧凑拉压加载装置，该试验装置可实现对混凝土试件施加往复劈拉荷载。浇筑了450×450×200mm的混凝土大试件，并进行往复劈拉试验，用数字图像相关技术和传统电测方法相结合的手段对动态试验过程进行量测，结果表明往复荷载对界面的影响要远大于骨料和砂浆。在对地震等往复荷载作用下混凝土进行数值模拟时，界面强度应该作为一个随时间退化的函数。基于试验结果，考虑弱不连续（骨料和砂浆粘结）和强不连续（裂缝）耦合作用时，缝端附近局部位移场的分布，建立了含多相材料的裂尖单元开裂准则；通过自研软件2D-RAS生成数值混凝土试件，根据混凝土模型中骨料、界面和砂浆的图像像素特点研究四叉树网格剖分方法，生成界面加密的自适应比例边界有限元（SBFEM）计算网格；根据细观混凝土三相组成材料的力学特性和几何特性，结合试验的相关成果，发展了一种新的细观层次混凝土裂纹扩展模拟的SBFEM分析方法；结合有限域-无限域的耦合模型及多边形网格重划分方法，提出了一种适用于大坝-无限地基系统的动态断裂分析方法；用自编混凝土随机骨料生成软件（2D-RAS）生成不同骨料含量的混凝土数值试件，研究细观尺度下混凝土力学行为对其导热性能的影响，揭示了有效导热系数在拉伸破坏过程中的变化规律。.以上成果为进一步深入研究混凝土复合材料的破损机理奠定了基础，研究开发的比例边界有限元法程序可用于实际工程开裂分析，具有广阔的应用前景。