钢筋混凝土梁桥耐久性能多尺度数值模拟分析策略

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。 2100433B

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。

钢筋混凝土结构的耐久性数值模拟已经成为目前国内外的研究热点，但绝大多数研究仍然建立在混凝土均质材料的假定基础之上。这一尺度上的研究无法考虑骨料对混凝土耐久性退化过程的影响。为了将混凝土耐久性数值模拟研究从宏观尺度往细观尺度上发展，首先必须建立实用的随机骨料模拟方法，并在此基础上，构建考虑钢筋的混凝土细观模型。在细观模型研究所提供的平台下，研究水分传输、氯离子传输、混凝土碳化、碱-骨料反应等常见耐久性退化过程在细观尺度上的发展过程和特点。定量描述骨料对这些过程的影响，并根据分析结果，对骨料级配、形态等参数提出优化意见。课题还将在细观尺度上研究混凝土力学性能与耐久性能的耦合机理，为宏观尺度上相应的耐久性设计理论提供依据。

长期以来，混凝土材料由于其低廉的造价被广泛的应用在桥梁等基础设施的建设当中，取得了良好的经济效益。但其耐久性能的退化往往成为后期养护运营过程中亟待解决的问题之一。本项目在细观尺度上开展针对钢筋混凝土结构的耐久性数值模拟研究，内容涉及：（1）混凝土细观模型的构建；（2）混凝土耐久性退化过程在细观尺度上的表现；（3）混凝土力学性能与耐久性能在细观尺度上的耦合关系。 首先，编写了ParticleSimu程序，支持二维圆形、椭圆、多边形、Bezier曲线和三维球形、椭球形、多面体、圆柱体、胶囊等多种骨料形状，并可实现圆柱体和立方体混凝土试件的模拟。 其次，开展了细观尺度上的水分传输研究。采用中子成像技术获取水分含量的分布云图，明确骨料对水分传输路径的扭曲效应以及由此造成的水分含量分布的空间变异性。研究结论对细观尺度上的氯离子扩散和混凝土碳化研究有重要的借鉴意义。 再次，开展了细观尺度上的氯离子扩散和混凝土碳化过程。将扩散锋面和碳化锋面的空间变异性转化为一个安全系数，用以对平均扩散深度和碳化深度的修正。研究了骨料长宽比、形状、级配、用量等关键参数对扩散锋面和碳化锋面空间变异性的影响。 然后，编写了基于格构式方法的Lamfa程序用于模拟混凝土材料的开裂过程。推导了钢筋锈蚀的时变锈胀力模型并模拟了由此引发的混凝土开裂、保护层剥落等过程。研究了钢筋直径、钢筋间距、钢筋位置、骨料参数等对混凝土开裂过程和保护层损伤程度的影响。 最后，建立了开裂状态下的氯离子扩散等退化过程的数值模拟方法。通过一套网格建立了用于物质传输模拟的实体单元和用于材料开裂模拟的格构单元。通过失效的格构单元修正其连接的实体单元的物质传输系数以体现混凝土损伤状态对物质传输过程的影响。 通过研究，将目前的基于宏观尺度的混凝土构件的耐久性数值模拟研究向细观方向发展，并推动其在实际工程中的应用。 2100433B

多尺度分析方法是目前科学工程计算领域最热门的数值模拟方法之一。复合材料工程制品多为板壳结构，材料设计、制备和应用常常需要进行材料性能预测，对影响微观结构的工艺过程进行数值模拟，并对材料与结构进行多尺度性能分析。本项目利用多尺度分析方法和有限元计算方法，研究复合材料制品周期构型板结构和双曲扁壳结构在静力学服役环境下的力学行为，以及两种结构在瞬态热弹性环境下的性能。采用宏、细观相关联的技术路线，从细观力学出发，基于均匀化方法、多尺度分析方法、有限元方法以及板壳结构的几何特性，构造可以捕捉到由三维构型微结构导致的微观三维力学行为的高阶多尺度模型；并进行多尺度模型和算法的理论分析，建立复合材料板壳结构三维数学模型与二维力学假设之间的近似关系；设计高效的多尺度数值算法。 2100433B