混凝土非线性断裂及随机损伤耦合机理研究

The fracture of concrete includes the processes of damage evolution, crack generation and growth, etc. In view of the stochastic damage evolution in front of the crack tip, crack propagation and material damage evolution are coupling. By multiple means of theoretical analysis, numerical simulation and typical experiments, the project plans to in-depth study the coupling mechanism of the nonlinear fracture and stochastic damage of concrete. A theoretical model for the coupling fracture and stochastic damage of concrete will be developed and verified by tests where strain and damage in fracture process zone will be measured. Furthermore, an analysis system for the whole fracture process of concrete will be developed by adopting the permissible damage scale as a criterion and based on the numerical study of crack generation and growth for coupled stochastic damage and fracture of concrete. The project will shed light on the development and improvement of the theory for concrete fracture initiation and expansion. And the research results can be applied to analyze the fracture of concrete dams in practice and provide the safety evaluation basis for the cracks of concrete dams during construction and operation periods.

混凝土断裂破坏历经损伤演化、裂缝产生与扩展等阶段。鉴于裂缝尖端材料存在随机损伤演化过程，裂缝的扩展与材料损伤演化就具有耦合性质。本项目拟采用理论分析、数值模拟和典型试验相结合的手段，对混凝土非线性断裂及随机损伤耦合机理进行深入研究。拟建立混凝土断裂与随机损伤演化的耦合理论，发展基于随机力学的混凝土断裂损伤耦合模型，通过试验量测混凝土断裂过程区应变场及损伤场，验证所提理论与模型的适用性与可行性。进一步，以允许损伤尺度为判别准则，研究基于随机损伤与断裂耦合的混凝土裂缝产生与扩展的数值分析方法，研发混凝土断裂损伤全过程分析系统。课题立足于对混凝土裂缝起裂与扩展理论的有益发展与完善，研究成果可应用于混凝土大坝的实际断裂破损分析中，为混凝土大坝施工期与运行期的裂缝问题的安全性评判提供科研依据。

混凝土裂缝断裂问题是土木、水利等工程及科研界关注的热点问题，而非线性及随机性是混凝土材料的基本特性，本项目结合理论分析、数值计算及试验研究手段，针对混凝土非线性断裂及随机损伤耦合机理进行研究，主要研究内容包括混凝土断裂与随机损伤耦合理论、混凝土允许损伤尺度确定方法、混凝土断裂全过程试验、混凝土损伤断裂数值模拟方法等。基于耗散能等效原理，建立了随机损伤本构关系与裂缝黏聚律之间的等效关系，利用串并联弹簧束随机损伤本构模型获得了混凝土裂缝黏聚律，分析了黏聚律受串并联弹簧束模型层数的影响。研究了混凝土裂缝扩展的损伤断裂全过程分析方法，模拟了混凝土裂缝扩展的损伤断裂演化过程，进一步提出了可用于描述混凝土破坏全过程的随机损伤黏聚裂缝模型。基于允许损伤尺度概念，应用级数形式的裂缝尖端应力场，获得了裂缝尖端应变表达式，建立了基于级数解的允许损伤尺度解析解，并结合现有试验成果对解析解进行了验证。提出了确定混凝土非线性断裂参数的简化极值理论方法以及线性回归方法，并与现有的理论方法及试验方法进行了比较研究。结合白光数字散斑相关方法，开展了混凝土裂缝断裂的楔入劈拉试验，研究了不同时刻对应的裂缝尖端材料的变形场以及损伤演变规律。开展了高性能混凝土断裂特性的理论及试验研究，提出了高性能混凝土的裂缝扩展阻力曲线模型，利用非线性铰模型研究了高性能混凝土裂缝扩展全过程的分析方法，分析了高性能混凝土材料断裂参数的尺寸效应。基于经典的混凝土重力坝模型实验，建立了大坝宏细观有限元模型，对大坝断裂全过程进行了模拟，得到裂缝扩展全过程曲线以及裂缝扩展路径，研究了骨料分布及骨料含量对裂缝扩展路径的影响。本项目研究成果可应用于实际混凝土工程的裂缝断裂分析及安全评定与修复加固等问题。