混凝土溫濕型裂縫開裂過程細觀數(shù)值模型研究.pdf

1、混凝土的溫度和濕度問題貫穿其整個服役期間。一方面，當混凝土處于變溫環(huán)境時，結(jié)構(gòu)除了承受外荷載的作用，還在很大程度上受到溫度應(yīng)力的影響作用；另一方面，當混凝土的濕度高于外界環(huán)境的濕度時，其中蘊含的水份則會向外界環(huán)境擴散，造成水份的損失，進而產(chǎn)生干縮效應(yīng)。混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)受溫度和濕度變化的影響顯著，而且往往導(dǎo)致威脅結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性的裂縫。因此，混凝土中溫濕型裂縫發(fā)生發(fā)展過程的研究有助于了解裂紋擴展的內(nèi)在機理，為工程施工提供必要的指導(dǎo)作

2、用。到目前為止，混凝土溫濕擴散特性研究的數(shù)值模型大多是基于材料在宏觀層次均勻性假設(shè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過將實驗室尺度的試驗結(jié)果作為輸入?yún)?shù)進而對更大尺度宏觀結(jié)構(gòu)溫濕擴散特性進行分析。這種簡化在研究混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的數(shù)值分析時是非常必要的，但難以研究混凝土材料在溫濕變化條件下的裂紋萌生、擴展及貫通的整個斷裂過程。目前，國際上有關(guān)混凝土材料性能的研究更傾向于從細觀角度出發(fā)，建立能反映混凝土內(nèi)部狀態(tài)隨外界環(huán)境而變化的數(shù)值模型。盡管如此，混凝土

3、溫濕擴散特性分析的細觀數(shù)值模型還相對欠缺，尤其是溫濕型裂縫萌生、擴展和貫通整個過程的研究更是少見。因此，本文從混凝土的細觀結(jié)構(gòu)入手，應(yīng)用統(tǒng)計分布方法、傳熱傳質(zhì)理論以及損傷力學(xué)原理建立了混凝土溫度-應(yīng)力-損傷耦合以及濕度-應(yīng)力-損傷耦合作用數(shù)值模型，并通過RFPA分析系統(tǒng)實現(xiàn)。本文主要的研究內(nèi)容如下： (1)從混凝土的細觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，假設(shè)混凝土是由砂漿基質(zhì)、骨料顆粒以及兩者之間的粘結(jié)帶組成的三相復(fù)合材料，針對其中的每一相材料均采用W

4、eibull統(tǒng)計分布方法進行其細觀非均勻特性的表征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的溫濕擴散相關(guān)理論，建立了混凝土的溫度、濕度和應(yīng)力之間相互作用的理論模型，并對模型中各參數(shù)之間的聯(lián)系進行了探討和標定，為后續(xù)的研究工作提供參考依據(jù)。 (2)探討了細觀單元的損傷與溫濕擴散過程之間的相互影響關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，運用有限元和有限差分方法建立了能研究混凝土類非均勻材料漸進破壞過程的溫度、濕度和應(yīng)力之間相互作用的數(shù)值模型。為了加快計算的速度和效率，二維

5、數(shù)值模型采用基于多核PC機的并行計算技術(shù)，而三維數(shù)值模型則采用基于MPI的局域網(wǎng)并行計算技術(shù)。 (3)運用數(shù)值模型進行了混凝土在細觀層次上的溫度傳導(dǎo)特性分析，并通過宏觀平均熱學(xué)性能與細觀熱學(xué)特性的對比分析，探討了損傷對混凝土熱傳導(dǎo)性能的影響：通過對熱膨脹性能存在差異的試樣內(nèi)溫度裂縫擴展過程的分析，揭示了混凝士的非均勻特性對其力學(xué)性能的影響；此外，文中還對溫度裂縫與其它形式裂縫開裂過程的不同，以及水工結(jié)構(gòu)工程中的溫度探漏方法的原理

6、進行了探討。 (4)運用數(shù)值模型分析了濕度、溫度、骨料等參數(shù)對混凝土濕度擴散特性的影響作用；通過研究細觀非均勻性對砂漿和混凝土濕度擴散性能造成的影響作用，建立了宏細觀之間的聯(lián)系；研究了裂縫和裂縫深度對濕度擴散的影響作用，進而探討了濕度裂縫的萌生、擴展和貫通全過程的濕度擴散特性；最后，通過濕度的變化引起混凝土表面裂紋萌生和擴展過程的數(shù)值模擬分析，探討了混凝土結(jié)構(gòu)在濕度多變環(huán)境中的失效機制。 (5)在三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上探討