基于统一相场理论的钢筋混凝土裂缝间距与最大裂缝宽度研究

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裂纹的萌生扩张普遍存在于桥梁隧道、水工大坝、高层建筑等钢筋混凝土结构之中,其引发的损伤破坏是结构的主要失效模式。相较于间接作用(锈胀、冻融、高温等)引起的裂缝的复杂性,直接荷载作用引起的裂缝呈现出规律、可控的特点。因此在正常使用状态下,探究结构由荷载作用导致的损伤破坏机理,并准确计算结构的最大裂缝宽度,是有效维护结构在服役期间安全适用、保障结构耐久可靠的关键。鉴于钢筋混凝土结构兼具粘结滑移与局部失效两大复杂非线性行为,本文引入了专门用于分析结构断裂引起的损伤破坏的理论——统一相场理论。基于该相场理论对于裂缝正则化处理的思想,本文揭示了钢筋与混凝土间滑移行为与混凝土软化行为“协同工作”,并共同引发结构呈现连续多裂缝破坏模式的机理。在此基础上,引入描述混凝土软化行为的相场内聚裂缝模型,并将其与描述滑移行为的粘结滑移解析模型相结合,推导出一个用于最大裂缝宽度计算且兼顾考虑材料间滑移行为与混凝土软化行为的解析模型。钢筋混凝土受拉构件试验算例的结果表明,该解析模型能较为准确计算构件在荷载作用下的平均裂缝间距与最大裂缝宽度,且基于该模型的参数化分析结果与试验结论基本一致。在此基础上,本文基于ABAQUS有限元平台,分别通过界面单元与用户自定义单元(UEL),实现对界面间粘结滑移行为的模拟以及相场内聚裂缝模型对混凝土软化行为的模拟。多个受拉构件试验以及四点弯梁试验算例表明,模拟过程无需复杂的路径追踪工作,模拟结果能较好重现钢筋混凝土连续多裂缝破坏模式。此外其定量结果(滑移量、平均裂缝间距、最大裂缝宽度)与实验结果具有较高的一致性。通过归纳可知,相场内聚裂缝模型、界面单元以及有限元方法的有机结合是针对钢筋混凝土损伤破坏分析这一类研究问题的系统化研究工具。
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