结构损伤一致多尺度分析的关键是在不同尺度的模型衔接起来进行计算，为此首先需要将前述跨尺度界面单元衔接方法引入ABAQUS，按软件指定的格式引入跨尺度界面上须满足的位移约束方程。但是由于K2本身是奇异的，同时计算机有效位数是有限的，α过大会导致系统方程病态而使计算失效。根据所建立的结构一致多尺度模型并通过宏细观变量的跨尺度关联，便可实现结构损伤的并发多尺度计算。......
2023-08-26
结构损伤多尺度模拟与分析：混凝土损伤特征与演化
【摘要】：构件受力后，钢筋和混凝土之间有相对滑移趋势时，产生摩阻力。这个过程就是钢筋混凝土粘结界面的损伤演化过程。现行钢混结构设计理论大多是基于平截面假定进行的，这隐含着钢筋和混凝土这两种性质截然不同的材料粘结良好，以确保二者变形协调。保障钢筋和混凝土的粘结良好是确保钢混结构安全的重要条件之一。图2.44钢筋与混凝土粘结失效引发的结构破坏
由于混凝土材料在宏观上表现出的脆性、拉压异性等特性，在建筑工程中使用的混凝土构件和结构，都是由钢筋混凝土构成。钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理性能完全不同的材料所组成，二者结合后作为一个整体承受工作荷载。钢筋混凝土能够正常工作的必备条件是钢筋与混凝土之间具有可靠的粘结力。
钢筋混凝土构件中，钢筋与混凝土这两种力学性能完全不同的材料能够结合在一起共同承受荷载和变形，除了二者有相近的热膨胀系数外，更主要的是混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间存在粘结力。钢筋与混凝土之间的粘结力，主要由以下三部分组成：
（1）混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力：这种由混凝土中水泥凝胶体和钢筋表面化学变化而产生的粘着作用力或吸附作用力较弱，其极限值取决于水泥性质和钢筋表面的粗糙程度。而当钢筋受力后有较大变形、发生局部滑移时，这种粘着力也将丧失。
（2）周围混凝土对钢筋的摩阻力：混凝土硬化过程中收缩，紧紧地握裹住钢筋。构件受力后，钢筋和混凝土之间有相对滑移趋势时，产生摩阻力。这种摩阻力与混凝土的收缩、荷载和支座反力等对钢筋的径向压应力以及混凝土和钢筋间的摩擦系数有关，径向压应力越大、接触面越粗糙，则摩阻力越大。
（3）钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合力：这种机械咬合力主要是由于钢筋表面凹凸不平，在钢筋与混凝土之间产生，其值即为混凝土对钢筋凸肋表面斜向压力的纵向分力。有横肋的变形钢筋会产生这种咬合力，其极限值受混凝土的抗剪强度控制。钢筋混凝土构件受力后，钢筋将发生纵向变形，为了确保钢筋和混凝土之间的变形协调工作，钢筋的纵向变形会受到周围混凝土的约束作用，在钢筋－混凝土界面上就会产生剪切效应，导致钢筋－混凝土的粘结性能下降，这成为钢筋混凝土构件与结构损伤的主导因素。
由于混凝土自身的非均质性以及钢筋表面粗糙不平，导致在钢筋与混凝土之间的结合面即粘结界面上存在着微小缺陷，如图2.43所示。这些缺陷和混凝土材料自身的先天性缺陷一样，属于钢筋混凝土构件中不可避免的先天性缺陷。在环境及外荷载作用下，钢筋混凝土构件中含有缺陷的粘结界面局部发生应力集中，经过微裂纹扩展、串接、汇合、融合，发展到一定限值后，导致界面上宏观裂纹萌生、扩展乃至粘结界面失效。这个过程就是钢筋混凝土粘结界面的损伤演化过程。
图2.43 钢筋混凝土结构中的粘结界面缺陷
从损伤演化导致失效的过程来看，钢筋混凝土粘结界面失效过程都始自粘结界面上的缺陷损伤，且均是在损伤发展到一定程度后发生的。这个过程，不能忽略材料不可逆劣化的影响，需要结合微观尺度的材料退化机理和宏观尺度的构件损伤破坏机理进行分析。由于钢筋和混凝土材料在刚度和强度等力学性能方面差别很大，在一定的作用力下，钢筋和混凝土之间除了力的传递外，还会产生滑移量等非连续性变形，如相对滑移或者开裂，这时钢筋和混凝土将不再是一个变形连续的整体。
然而，在现阶段，对钢筋混凝土粘结界面失效问题的研究，大都是基于试验数据拟合粘结滑移应力－滑移量关系曲线，并根据该曲线研究钢筋混凝土结构粘结滑移理论。然而，这无法从机理上描述钢筋混凝土粘结界面上的损伤演化导致结构粘结性能劣化的过程。有些研究考虑了钢筋混凝土粘结界面上的损伤，在实验研究的基础上，通过定义损伤变量，结合试验数据拟合的粘结－滑移量曲线，反演钢筋混凝土粘结界面的损伤变量方程。根据这种方法得到的粘结界面损伤变量方程具有很大的局限性。同时，这种唯象的根据结果（粘结力随滑移量变化情况）反推过程（粘结界面损伤演化过程）的方法，也难以从机理上描述粘结界面损伤演化导致粘结失效的过程。因而，如何从机理上描述钢筋与混凝土之间粘结界面上的损伤演化过程是个非常重要的课题。
现行钢混结构设计理论大多是基于平截面假定进行的，这隐含着钢筋和混凝土这两种性质截然不同的材料粘结良好，以确保二者变形协调。保障钢筋和混凝土的粘结良好是确保钢混结构安全的重要条件之一。任何形式的粘结失效均会对钢筋混凝土结构的安全产生重要影响，严重情况下会导致结构破坏（如图2.44），如钢筋和混凝土之间的粘结应力超过极限强度的锚固强度失效会造成钢筋无法受力，降低其与混凝土的协同工作能力，加剧构件或结构的破坏，同时也会降低构件或结构的延性，从而引起倒塌等突然性工程事故。另一方面，锚固、搭接和延伸长度过长会造成不必要的资源浪费。因此，要准确描述钢筋混凝土结构的损伤演化过程，就需要深化对钢筋混凝土粘结失效机理的认识，建立粘结界面损伤演化导致钢筋混凝土界面粘结失效过程的模拟与分析方法。
图2.44 钢筋与混凝土粘结失效引发的结构破坏
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2023-08-26
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