基于统一相场理论的钢筋混凝土锈胀开裂研究

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广泛使用的钢筋混凝土结构普遍存在耐久性损伤问题,而钢筋混凝土锈胀开裂为主要影响因素。因此,研究混凝土在钢筋锈蚀产物膨胀作用下的开裂过程具有重要意义。固体损伤破坏分析方法中,统一相场理论通过引入连续的相场变量d及其梯度(?)d,将裂缝弥散到具有一定宽度的损伤带中,确保了裂缝处应变场的连续性。基于强度、能量、变分原理的不同准则,统一相场理论能够实现结构裂缝起裂、扩展及裂缝发展路径的自动选择,构建了合理且完备的损伤破坏分析理论框架,解决了数值模拟中的应力闭锁、网格敏感性及相场尺度参数敏感性等关键难点和问题。该理论框架下的相场内聚裂缝模型(PF-CZM)仅需少量标准材料参数,即可准确模拟混凝土的起裂、扩展、分叉与汇聚等复杂损伤破坏行为。基于统一相场理论,给出了相场内聚裂缝模型的理论背景、数值算法、COMSOL Multiphysics平台实现方法及验证算例。采用相场内聚裂缝模型模拟了等效锈胀位移作用下的混凝土开裂破坏,并讨论了不同锈胀位移模式下的结构裂缝开展方式与力学响应,验证了该模型在钢筋混凝土锈胀开裂问题的适用性。在相场内聚裂缝模型的基础上,考虑了腐蚀环境下氯离子和氧气的扩散行为,建立了化-力耦合相场内聚裂缝模型。进一步地,基于多场有限元时空间离散,发展了交错求解的多场有限元数值算法,并在COMSOL Multiphysics平台成功地实现了多场背景下的钢筋混凝土锈胀开裂模拟。结论表明,在均匀锈蚀位移作用下,钢筋混凝土结构将呈现角部剥落、分层剥落、楔形剥落等破坏模式;在非均匀锈蚀位移作用下,几何参数(相对保护层厚度、钢筋直径)的改变对结构开裂破坏的影响需要细分具体开裂模式进行讨论。同时,所发展的化-力耦合相场内聚裂缝模型能够合理考虑力场、裂缝相场、腐蚀场等多物理场的复杂相互作用,可用于预测钢筋混凝土结构裂缝开展的时间,为结构的耐久性设计及服役寿命评估提供了有效工具。参数化分析结果表明,混凝土扩散系数的提高和混凝土断裂能的降低均会导致结构起裂及完全开裂的时间提前。
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