钢筋混凝土梁桥耐久性能多尺度数值模拟分析策略

Macroscopic numerical durability analysis for reinforced concrete bridges remains difficult to precisely represent the heterogeneous composition of concrete and practical corrosion pattern of reinforcement and are inevitably oversimplified. Single-scale model cannot meet the requirement of mixed assessment regarding both of the entire structure and construction detail. Due to complexity of mesoscopic model and its heavy computing load, mesoscopic analysis cannot be directly extended to the whole bridge. Therefore, it is considerable to carry out theoretical research and technique development for the analysis scheme of multiscale numerical simulation. .The proposal aims to: ① research the diverting effect of aggregate for transportation of chloride ion and water in concrete, establish the multiscopic representing model for material transportation, study the superimposition of durability degradation and associated analysis of multiscale models, ② research the mechanical performance of concrete members considering concrete cracking and corrosion of rebar, introduce multiscale assessing model with multi-parameter for mechanical performance of degraded concrete members, ③ investigate and carry out multiscale durability assessment for two concrete bridges in coastal area, calibrate the critical parameters and transferring law for multiscale numerical analysis of durability, ④ research the relationship between construction detail configuration and overall structure regarding the development of durability, propose durability analysis scheme of mixed model composed by multiscale sub-model..The expected achievement is to establish refined analysis approach for the durability of reinforced concrete girder bridges and be significant and valuable for improving durability design for concrete bridges and safety evaluation on existing concrete bridges.

当前混凝土梁桥宏观尺度耐久性分析在考虑混凝土非均质特性及钢筋实际锈蚀状态上还存在困难，单一尺度模型不能较好的适应整体与细部构造的组合计算要求，细观尺度模型因复杂的分析模型和较大计算量而无法拓展至全桥，因此研究多尺度数值模拟分析策略对于耐久性分析是十分必要的基础工作。.本项目拟研究细观尺度混凝土复合材料形式的扭曲效应，建立跨尺度物质传输等代模型，实现多尺度模型的劣化传递效应与联合分析；研究考虑混凝土开裂和钢筋锈蚀的构件力学性能，提出多参数跨尺度钢筋混凝土构件力学性能退化分析模型；通过实际混凝土梁桥调研及其耐久性退化过程数值模拟重建，对多尺度耐久性数值模拟分析的关键参数和传递规律进行对比和校正；研究混凝土梁桥的构造形式对整体结构耐久性的作用，提出含多尺度子模型的混合模型耐久性分析策略。.研究成果将建立混凝土梁桥耐久性精细化分析方法，有利于发展混凝土桥梁耐久性设计及现有混凝土桥梁安全评价。

当前混凝土梁桥耐久性分析的难点在于，宏观尺度分析无法考虑混凝土的非均质特性以及钢筋实际锈蚀状态，单一尺度模型不能较好的适应整体与细部构造的组合计算要求，细观尺度模型因复杂的分析模型和较大计算量而无法拓展至整体结构，因此有必要进行多尺度数值模拟分析方法研究。.本项目完成了混凝土中物质传输理论及数值模拟方法研究，建立了考虑细观尺度与宏观尺度相结合的氯离子多尺度数值模拟分析方法，完成了相应的数值模拟工具开发；完成了混凝土开裂多尺度数值模拟方法研究，建立了格构式模型与四边形有限元模型相结合的混凝土开裂模拟分析方法，完成了相应的数值模拟工具开发；采用以上两类数值模拟工具实现了钢筋锈胀引起混凝土开裂数值模拟，从而实现材料劣化的多尺度扩散研究；建立了考虑钢筋锈蚀的混凝土结构耐久性评价方法，建立了平面锈蚀模型，根据实验数据获得平面锈蚀系数及非均匀锈蚀系数模型，进一步建立了混凝土结构性能评价方法。.本项目通过研究建立了混凝土中物质传输的多尺度数值分析理论和方法，并给出了数值模拟实现方式，对类似物质传输机理研究提供了理论基础。同时，本项目形成了建立混凝土梁桥耐久性精细化分析方法，有利于发展混凝土桥梁耐久性设计及现有混凝土桥梁安全评价。