混凝土坝体裂缝多尺度研究与数值模拟

为满足巨大的能源需求，一批混凝土重力坝项目将要在我国多震的西南地区建设开工。这些工程库容达数十亿到数百亿立方米，并且大部分处于强烈地震活动区，若发生破坏将带来严重的后果。混凝土的破坏过程可以看作是不同尺度的裂缝相互影响的结果。所以研究静动力条件下，不同尺度下的裂缝之间的关系，不同尺度的单元的连接、内嵌等问题对解决准脆性材料的破坏过程是十分有意义。对水工结构的多尺度问题研究是基础性前沿课题。本报告研究内容主要包括以下方面： 1.对混凝土材料的多尺度性质进行研究。这一内容的研究主要分为以下几个方面：①基于分形理论的数值模拟混凝土材料的多尺度破坏裂纹关系的研究；②建立多尺度EFG模型模拟混凝土材料破坏性质的研究；③基于开尔文黏弹性本构对混凝土时间多尺度的破坏性质的数值模拟的研究；④对混凝土的大尺度弹塑性损伤本构的研究； 2.对结构单元的多尺度性质进行研究。这一内容的研究主要分为以下几个方面：①基于多尺度有限元和扩展有限元理论对带孔的结构裂纹的进行多尺度单元开发的研究；②样条小波有限元法在地基的动态响应的研究；③新的多尺度重叠网格算法的研究；④基于蜂群-神经网络的子结构振动控制算法的研究；⑤对拱坝坝段不同尺度单元剖分的横缝单元的研究。 3.对复杂层地基的多尺度性质进行研究。这一内容的研究主要分为以下几个方面：①对含节理的岩体的滑坡模式的研究；②基于多向透射边界理论对饱和无限地基的人工边界进行研究和开发；③地震动多尺度的合成及输入方式的研究；④含节理岩体的多尺度本构的研究。 通过以上研究，系统的研究了混凝土坝体的多尺度问题，为工程设计人员有针对性地采取工程措施进行水工结构抗震设计提供参考。 2100433B

由于西南、西北地区地质条件复杂并且是高烈度地震频发地区。这就对这一地区的混凝土坝体的数值模拟和实验方法提出了更高要求。混凝土的破坏过程是非线性破坏过程，所以对混凝土坝的力学分析过程中不能忽视混凝土强度软化的影响，而混凝土强度的软化主要是由于混凝土多尺度裂缝的开裂引起的，所以对于混凝土坝体的多尺度裂缝的开裂的研究是非常重要的。本项目针对混凝土坝体裂缝的多尺度特征进行研究。采用分形等理论对混凝土坝体裂缝在多尺度下的数学和力学关系以及扩展机理进行研究。在此基础上采用损伤理论、断裂理论以及比例边界有限元与有限元耦合分析技术建立地震荷载作用下混凝土坝体的多尺度裂缝开裂和扩展的数值模拟模型，并对其进行实验分析。该成果可以广泛应用于水工混凝土大型结构、岩体大型结构的施工以及安全评价中，如重力坝、拱坝、基岩、地下岩质隧道、岩质边坡等。该成果不仅具有理论意义，而且具有重要的实用价值。

在系列混凝土动力本构关系实验研究的基础上，结合混凝土细观数值模拟技术，深入研究地震、强风等动力荷载作用下混凝土损伤的细观机理及其演化机制；基于多尺度方法体系，合理描述微观裂缝演化对宏观损伤演化的影响，探索混凝土动力损伤扩散的物理机制与多尺度随机涨落特征；发展可以科学反映混凝土结构随机动力非线性行为的建模理论与数值模拟方法，为正确反映重大工程结构在地震、强风等灾害作用下的性态、进行重大工程结构的精细化分析和控制提供科学基础。 2100433B

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