基于多尺度方法的混凝土疲劳损伤行为研究

In recent years, the rapid developments of material science, design theory and structural system increase the service stress level of concrete. Thus the fatigue damage and failure of concrete has drawn more and more attentions. In the proposed research, the real time damage evolution rules are investigated based on the understating of general fatigue loading process. The tensile damage and compressive damage are introduced corresponding to the rupture and crush of concrete under multiaxial stress state. By considering the coupling between tensile damage and compressive damage in appropriate approaches, the framework of fatigue damage constitutive model of concrete could be developed. Considering the temporal multi-scale characteristics of the structural fatigue performances, the evolutions of state variables in different temporal scales are investigated. The scale bridging schemes for the full-process fatigue simulation of concrete structures are developed based on the real time temporal multiscale methods, which introduces the long time exploration and prediction of state variables based on intensive simulation in small time scale. Combining the proposed constitutive model and the multiscale simualtion scheme, the size effect of fatigue damage in the structural level are studied. The proposed project offers theoretical backgrounds and technical supports for the full-process fatigue analysis and design of concrete structures.

近年来，随着材料技术、设计理论与结构体系的迅猛发展，混凝土的工作应力水平日渐提高，结构的疲劳问题也随之凸显。本课题首先基于一般不等幅疲劳加载过程的整体趋势和局部波动分别建立拟静力损伤和疲劳损伤的实时演化方程，基于混凝土材料的拉断破坏模式和压碎破坏模式分别引入受拉损伤机制和受压损伤机制，对静力与疲劳、受拉与受压损伤机制的耦合机制加以合理考虑，建立适用于不等幅加载和多轴应力状态的混凝土疲劳损伤本构关系。从疲劳加载全过程的时域多尺度特征入手，研究疲劳损伤在不同时间尺度上的演化特征与耦合规律，发展基于小时间尺度的精细分析结果外推预测大时间尺度整体响应的方法，建立兼顾模拟精度与计算成本的疲劳加速模拟方法。结合研究中提出的本构关系和分析方法，针对典型混凝土构件，开展试验模拟和数值分析研究，重点关注混凝土构件疲劳损伤演化的尺寸效应问题。本项目将为混凝土结构的全过程疲劳分析和设计提供理论工具与技术支持。

近些年来，伴随着结构理论的进步、计算机技术的发展和复杂结构体系的出现，混凝土的工作应力水平逐渐提高，混凝土结构的疲劳问题也随之凸显。特别是新能源、新动力等技术的发展对基础设施提出了新的需求，应运而生的一批新型混凝土结构，如混凝土风力发电塔、核电站安全壳结构以及高速铁路混凝土结构等，亟待相应的疲劳分析方法与设计理论的支持。在此背景下，本项目从疲劳损伤演化的时域多尺度特征出发，针对混凝土疲劳损伤问题开展了系统的研究工作。取得的研究进展包括：第一，开展了系统的混凝土疲劳损伤理论研究，系统研究了疲劳损伤演化物理机制和时域分布特征，在试验结果的基础上建立了疲劳损伤演化的时域包络函数，引入损伤分解表达建立了损伤演化的基本形式，分别针对拟静力损伤演化和疲劳损伤演化给出了损伤演化方程的具体形式，结合不可逆热力学框架建立了疲劳损伤理论框架；第二，基于时域多尺度理论提出了结构疲劳分析高效算法，在疲劳损伤演化方程中引入时域均匀化运算，建立了疲劳损伤演化的慢变演化方程，将疲劳损伤演化的求解从小时间增量拓展到了有限时间增量，大大提高了疲劳损伤演化求解的效率，将疲劳损伤演化多尺度算法与多维损伤理论数值算法结合，形成了完整的多维疲劳损伤算法体系；第三，系统开展了典型混凝土构件疲劳破坏试验研究，研究了疲劳加载条件下钢筋混凝土梁的典型破坏特征，特别是得到了疲劳加载与静力加载条件下钢筋混凝土梁破坏模式的转移，基于试验结果对疲劳损伤模型进行了标定和验证；最后，针对各类构件的疲劳加载问题，开展了系统的数值模拟研究工作。本项目为混凝土结构的全过程疲劳分析和设计提供理论工具与技术支持。