基于多尺度物理的高强混凝土疲劳损伤机理与分析方法研究

With the gradual application of high strength concrete in high-speed railway ballastless tracks, heavy-loaded railway bridges, concrete wind turbines and nuclear plant shells, the fatigue damage has become one of the core problems to be solved. This project focuses on the spatial and temporal multiscale physical mechanisms in high strength concrete in order to establish the physical validated fatigue damage constitutive relation of concrete and the accelerated algorithm for fatigue life simulation. First, based on the kinetic theory of microcrack propagation, the macro fatigue damage evolution law will be built with the aid of multiscale analysis methods. Systematic experimental investigations will be carried out to validate the fatigue damage model and determine the distribution of basic random variables in the model. Then a kind of time scale decomposition accelerated algorithm for fatigue is expected to be developed according to temporal homogenization method. Finally, with the fatigue damage constitutive relation and the accelerated algorithm combined together, the numerical simulation of fatigue of high strength concrete structure will be carried out, which would provide theoretical and technical supports for the safety evaluation of related structures.

随着高强混凝土逐步应用于高速铁路无砟轨道、重载铁路的桥梁、混凝土风力发电高塔以及核电站安全壳等重大工程，如何评估其疲劳损伤是目前需要解决的重要问题之一。项目拟从高强混凝土疲劳损伤多尺度物理入手，以材料微裂纹扩展的动理学为基础，通过多尺度分析工具获得宏观疲劳损伤的演化规律，在连续损伤力学的框架下建立疲劳本构模型；通过系统的疲劳试验对模型进行验证并确定其中基本物理随机变量的分布；根据时域多尺度理论，发展一类损伤演化在不同时间尺度上解耦的疲劳模拟加速算法；进而结合疲劳损伤本构模型和疲劳模拟加速算法进行高强混凝土结构的疲劳全过程数值模拟，为相关结构服役期内疲劳安全评估提供理论基础和技术依据。

为了探究混凝土疲劳物理损伤机理，项目从损伤微细观物理研究入手，引入疲劳扰动效应，结合经典的速率过程理论，获得了微观裂纹疲劳扩展速率及其扩展过程的能量耗散。根据标度理论结合重整化方法，通过微观的疲劳能量耗散获得大尺度上疲劳过程能量耗散的形式，进而比较疲劳耗散的能量与材料固有的断裂能来判断此部分材料在疲劳荷载作用下破坏与否。将这一破坏准则与随机断裂模型相结合，建立了完整的疲劳损伤演化表达式。此模型中疲劳损伤演化源自疲劳荷载作用下微观颗粒（在混凝土中可以认为是纳米尺度CSH微颗粒）之间连接键的断裂，期间能量的耗散通过跨尺度的传导形成宏观的损伤效应，具有明确的物理意义。将上述以基于物理机制的疲劳损伤演化为基础的损伤本构关系和非线性有限元方法结合，可以很好地模拟混凝土材料在疲劳荷载作用下力学性能的退化以及疲劳裂纹的扩展过程。.另一方面，为了提高计算效率，发展了基于时间尺度分解的疲劳加速算法，通过引入时域摄动参数和时间平均算符，在微观和宏观时间尺度上分别建立了控制方程以及相应的损伤演化方程，再通过调用通用有限元程序分别求解这两个尺度上的控制方程。.在求解中通过随机疲劳本构关系结合基于时间尺度分解疲劳加速算法，从混凝土疲劳损伤演化的角度考察了混凝土预应力梁疲劳可靠度问题。进而结合概率密度演化理论和混凝土结构疲劳全过程分析，建立了一个新的分析混凝土结构疲劳可靠度的分析框架。在此框架下，能够跟踪整个结构和其内部材料疲劳的疲劳损伤全过程，从而考虑了材料损伤退化和结构内部应力重分布之间的互相耦合。.本项目研究成果可应用于高速铁路无砟轨道、重载铁路的桥梁、混凝土风力发电高塔以及核电站安全壳等重大工程的疲劳损伤可靠度评估。