基于统一相场理论的多场耦合作用下混凝土损伤破坏分析

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混凝土在高层建筑、桥梁隧道、核安全壳、水工大坝、近海能源勘探平台等大型基础设施中承担着至关重要的作用,有效保障混凝土结构在复杂荷载和罕遇灾变作用下的完整可靠、安全耐久具有重要意义。裂纹萌生扩展引发的损伤破坏是混凝土典型且普遍的失效模式,特别是进一步考虑混凝土在建造早龄期、服役阶段、极端灾害条件等实际场景下所承受的水化反应、化学腐蚀、火灾高温等复杂多场作用,力学荷载-多场行为-裂纹扩展三者的耦合机制将对结构的承载力、完整性和耐久性构成极大威胁。因此,精细化模拟预测混凝土在多场耦合作用下损伤破坏全过程及相应力学行为特征是分析评估结构安全、确保结构健康优生的重要手段。针对上述需求,本工作基于统一相场理论,依次考虑建造阶段早龄期、服役阶段去离子水腐蚀和极端灾害火灾高温三种不同的多场耦合场景,发展对应的混凝土多场耦合相场内聚裂缝模型(PF-CZM),建立力学作用-多场行为-裂缝相场之间相互影响的定量联系,旨在开展多场耦合作用下混凝土损伤破坏全过程的数值模拟和仿真预测。进一步地,基于有限元空间离散方法、交错求解、局部弧长法等数值算法和Comsol Multiphysics软件平台完成对理论模型的数值实现和计算求解。不同多场耦合场景下的若干算例表明,多场耦合相场内聚裂缝模型能够合理地考虑不同行为之间定量的耦合关系,能够对相应试验研究所得的结果和规律进行模拟、复现和预测;归功于统一相场理论框架同时考虑了固体材料开裂破坏问题中基于强度的起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于能量变分的裂缝路径选择判据,模型能够精细捕捉多场耦合作用下混凝土结构的裂纹扩展路径和力学响应,且模拟结果不论是定性的破坏模式或是定量的演化曲线均具备相场长度尺度不敏感的优良特性。不同场景下的成功实践表明,统一相场理论、有限元方法结合交错求解和局部弧长法的数值算法、Comsol Multiphysics平台三者的有机结合将是针对混凝土等工程材料多场耦合损伤破坏分析这一类科学问题的有效研究工具。
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