基于微裂缝扩展与摩擦的混凝土随机损伤探索

针对混凝土损伤力学由于塑性自由能的物理机制模糊不清而裹足不前的困境，本项目开展了以下几方面的研究：抽象细观方面，寻求弹塑性自由能的简化直观表示，探索细观弹簧的随机断裂规律，得到宏观损伤变量的随机演化函数。具象细观方面，寻求弹塑性自由能的细观直接描写，从细观弹性应变能推导宏观弹塑性自由能，寻找具有细观力学基础的宏观损伤演化规律。将细观模型植入宏观损伤理论框架，构建完整的3维弹塑性随机损伤本构关系，发展隐式、半隐式回映积分算法。为非线性随机结构分析中采用的代表性样本点的选择，构造点群识别算法。尝试将随机本构用于随机结构。开展钢管混凝土构件试验作为对照。 本项目从细观角度揭示了塑性自由能的物理本质，避免了目前尚难以实际开展的非连续介质有限元分析，为弹塑性自由能给出了便于使用的半解析表达式。抽象细观自由能函数具有明确的物理意义而令人信服，为本构关系奠定了更为坚实的科学基础，为发展多尺度随机损伤力学提供了一条新的途径。本项目通过对微裂缝扩展与摩擦的抽象细观描述，合理反映拉、剪、压不同损伤机制，建立起公开发表的文献中首个全面反映混凝土单边效应和约束效应的本构模型，为混凝土结构（随机）非线性分析提供了有力的基础理论和实用工具。本项目的点群识别算法可减少所需代表点的数目，因而有助于控制今后大规模开展随机结构分析的计算量。

目前混凝土塑性自由能的物理机制模糊不清，致使建立在严格的热力学基础之上的混凝土损伤力学陷于尴尬困境。本项目旨在通过描述微裂缝的摩擦行为，将塑性自由能贮存和释放的细观机制纳入到混凝土随机损伤研究中。沿着抽象细观和具象细观2条思路开展本构关系研究，并将其用于随机结构分析。在微弹簧束模型中创造细观元件组合以代表被锁定的塑性自由能，通过试验获得自由能的释放历程和微弹簧束的随机断裂规律；在多尺度损伤理论中引入由微裂缝摩擦导致的细观附加弹性应变能，通过扩展/广义有限元分析跟踪微裂缝群扩展-摩擦-再扩展的耦合发展过程；开展基于混凝土随机损伤本构关系的随机结构非线性分析，给出结构反应量的概率分布演化进程。实现真正融为一体的混凝土随机弹塑性损伤理论描述，使混凝土结构非线性分析具有更加可靠的物理基础，为混凝土结构可靠性设计提供有力工具。

粗骨料的随机分布造成混凝土材料的不均质性，影响裂缝扩展规律，进而改变混凝土宏观断裂特性，这在全级配大骨料混凝土中体现得尤为明显。本项目拟采用宏观断裂力学从细观层次研究裂缝扩展过程，提出以应力强度因子为参量的复合型裂缝扩展准则，以判别混凝土不同介质（砂浆、骨料及界面）在复杂应力场下裂缝扩展模式，重点研究裂缝尖端遇到骨料时产生的三种扩展路径，即裂缝穿过骨料、沿界面扩展至砂浆及沿界面扩展至骨料，以及不同扩展路径对裂缝演化、宏观断裂性能的影响。通过试验研究界面软化本构关系、细观断裂过程区形成机理，在此基础上探讨混凝土细观结构与宏观断裂能之间的关系，发展基于细观层次的虚拟裂缝粘聚力的分离裂缝模型，结合理论分析实现对裂缝起裂、稳定扩展及失稳破坏的全过程模拟。本项目提出的方法克服了宏观力学无法解释裂缝扩展规律及细观力学难以获取界面力学参数的困难，为评价全级配大骨料混凝土结构安全性提供了一个新的思路。

本书系统论述混凝土损伤力学的基本理论与最新研究成果，内容包括：应力—应变分析，弹塑性力学基础，损伤力学基本原理，混凝土确定性损伤本构关系，混凝土随机损伤本构关系，混凝土动力损伤本构关系，混凝土本构关系的数值算法，混凝土框架结构分析，混凝土剪力墙结构分析，混凝土实体结构分析，混凝土结构随机非线性分析。

开展了砂浆-岩石界面抗拉强度、断裂特性试验研究，分析了界面粗糙度、砂浆强度、岩石种类对界面参数的影响，并设计预埋骨料试件进行三点弯曲试验，得到了裂缝尖端遇到骨料后不同的裂缝扩展路径。进行了岩石的断裂试验，验证基于材料起裂韧度的裂缝扩展准则在岩石材料中的适用性，并提出了以裂缝口张开位移为控制变量的计算方法，避免了粘聚力的迭代运算，提高了计算精度与计算效率。设置垂直双材料界面裂缝试件，探究了裂缝尖端在界面时的扩展准则，后将界面单独作为一相材料，采用应力外推法得到界面的断裂韧度，研究界面断裂韧度的尺寸效应。基于本课题组提出的基于材料起裂韧度的裂缝扩展准则，采用数值方法得到裂缝扩展全过程的p-cmod曲线，通过试验验证了裂缝扩展准则的在多相材料中的准确性。最后，将裂缝扩展准则用于随机模型以探究混凝土非均匀性对裂缝扩展过程的影响，通过统计分析得到极限荷载、断裂过程区长度等要素的概率分布函数，为工程检测和工程可靠性分析提供依据。本项目的课题研究对评估细观层次的混凝土裂缝扩展规律和机理具有重要的理论意义和工程应用价值。 2100433B