混凝土溫濕型裂縫開裂過程細(xì)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(gè)服役期間。一方面，當(dāng)混凝土處于變溫環(huán)境時(shí)，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(dāng)混凝土的濕度高于外界環(huán)境的濕度時(shí)，其中蘊(yùn)含的水份則會向外界環(huán)境擴(kuò)散，造成水份的損失，進(jìn)而產(chǎn)生干縮效應(yīng)?；炷两Y(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(kuò)展的內(nèi)在機(jī)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(kuò)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(shí)驗(yàn)室尺度的試驗(yàn)結(jié)果作為輸入?yún)?shù)進(jìn)而對更大尺度宏觀結(jié)構(gòu)溫濕擴(kuò)散特性進(jìn)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(shí)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(kuò)展及貫通的整個(gè)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(xì)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(kuò)散特性分析的細(xì)觀數(shù)值模型還相對欠缺，尤其是溫濕型裂縫萌生、擴(kuò)展和貫通整個(gè)過程的研究更是少見。因此，本文從混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)。本文主要的研究內(nèi)容如下： (1)從混凝土的細(xì)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(jì)分布方法進(jìn)行其細(xì)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(kuò)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(jìn)行了探討和標(biāo)定，為后續(xù)的研究工作提供參考依據(jù)。 (2)探討了細(xì)觀單元的損傷與溫濕擴(kuò)散過程之間的相互影響關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)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(jìn)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(jì)算的速度和效率，二維

5、數(shù)值模型采用基于多核PC機(jī)的并行計(jì)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(jì)算技術(shù)。 (3)運(yùn)用數(shù)值模型進(jìn)行了混凝土在細(xì)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(xì)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(kuò)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(jìn)行了探討。 (4)運(yùn)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(kuò)散特性的影響作用；通過研究細(xì)觀非均勻性對砂漿和混凝土濕度擴(kuò)散性能造成的影響作用，建立了宏細(xì)觀之間的聯(lián)系；研究了裂縫和裂縫深度對濕度擴(kuò)散的影響作用，進(jìn)而探討了濕度裂縫的萌生、擴(kuò)展和貫通全過程的濕度擴(kuò)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(kuò)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(jī)制。 (5)在三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上探討