基于统一相场损伤理论的混凝土破坏全过程分析应用研究

发布时间：2020-07-09 21:38

【摘要】：混凝土结构的破坏通常是由高度局部化的非均匀变形(即应变局部化)引起的,这种局部失效及其发展被认为是结构破坏的前兆。因此,在现如今人们对混凝土结构精细化分析与设计的要求越来越高的背景下,预测局部破坏的发生以及量化其对整体结构响应的不利影响至关重要。随着计算机软硬件与计算力学的快速发展,数值模拟方法以其效率高、可操作性强和可重复性好的优势,逐渐为人们所重视。然而,已有的数值模拟方法及其理论基础往往无法满足混凝土结构精细化分析与设计的需求。因此,亟需建立和发展能够更为精确地反映混凝土结构全周期响应行为的理论和数值方法。2017年,Wu基于热力学基本理论,探寻到断裂力学领域中的经典相场损伤模型和损伤力学领域中的梯度损伤模型之间的共通点,提出了统一相场损伤理论。不仅将相场模型的应用领域由脆性材料推广至准脆性材料,实现了对众多相场模型的规范化与统一化,而且从理论(数值)上搭建起了断裂力学(离散裂缝模型)与损伤力学(弥散裂缝模型)之间的桥梁,迅速引起了国内外学者的广泛关注。本文首先对统一相场损伤理论的数值实现进行研究,在攻克交错求解算法、位移场与相场自由度交替问题等数值实现技术难题后,统一相场损伤理论在JIVE、OOFEM等开源有限元平台得以实现。随后成功将统一相场损伤理论应用于混凝土结构破坏全过程分析中,旨在为混凝土结构破坏全过程的仿真分析提供新的路径。通过对相场子问题的测试分析,验证了统一相场损伤理论对物理裂缝进行规范化拓扑的合理性。进一步通过对一系列混凝土破坏基准试验进行模拟分析,得到了相场长度尺寸与网格单元尺寸的最优组合比以及建议组合比,并说明了统一相场损伤理论在混凝土I型、混合型破坏中的适用性及优越性。与此同时也验证了交错求解算法具备良好的健壮性。此外,通过两组脆性材料试验的分析,说明统一相场损伤理论不仅适用于混凝土等准脆性材料,也适用于脆性材料,验证了统一相场损伤理论对经典相场损伤模型进行了规范化和统一化。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU37
【图文】：

混凝土,准脆性材料,凝胶材料,细骨料

研究背景凝土是在土木工程当中用量最大、应用最广的材料。据统计，2018 年我国用量已突破 20 亿立方米。在高层建筑、桥梁、核电站、道路以及大坝等结构中，混凝土材料均扮演着承载支撑的关键角色。可见混凝土结构关系民众安全。年来，随着人民的生活水平提高以及建造宜居环境的意识增强，人们对房设施的安全性、使用性、耐久性等提出了更高的标准，这就需要混凝土结化方向发展。然而，在混凝土建设工程繁荣兴盛的大背景下，尽管国内外十年间已从理论分析及数值模拟等方面做了大量的贡献，但鉴于混凝土材性，目前关于混凝土的理论方法、模拟方法等均未能满足混凝土结构精细。因此，对现有的混凝土理论、数值模型进行优化和创新十分具有意义。

混凝土结构裂缝,局部失效

华南理工大学硕士学位论文局部失效，即在很小的局部带内高度局部化的非均匀变形所导致的结构破坏，与此同时局部带外区域进入弹性卸载状态。宏观上混凝土结构的破坏通常都是由局部失效及其发展所引起，因此，预测裂缝的发生和量化裂缝对混凝土结构响应的不利影响是至关重要的。

示意图,应变局部化,近似方法,裂缝模型

离散裂缝模型（强不连续）示意图 (b) 弥散裂缝模型（弱不连续）示图 1-3 传统应变局部化及破坏近似方法离散裂缝模型和弥散裂缝模型位移场及应变场的示意图。离移场表征混凝土的应变局部化，在位移跳跃处应变为无穷大，连续；而弥散裂缝模型则通过一个连续但不光滑的位移场所引混凝土的应变局部化，此类不连续被称作弱不连续。将它们进缝模型更接近于物理上的裂缝张开，但在数值实现上，由于弥的奇异点而略胜一筹。缝模型（断裂力学）主要解决一条或多条预知裂缝的扩展问题单元边界处设置界面单元来模拟裂缝引起的位移跳跃，因此也采用了基于混凝土断裂能的粘聚裂缝模型，离散裂缝模型能与网格的大小无关；但是受到裂缝扩展路径需要预先设定的限

【参考文献】