目前对在疲劳损伤过程中微裂纹成核与扩展问题的研究，大都是在单一尺度下进行。疲劳损伤累积过程中的微裂纹成核与扩展阶段的疲劳损伤过程是一个跨尺度演化行为，在细观尺度下，表现为微裂纹的成核与扩展造成的微观缺陷的增长，在宏观尺度下，表现为微裂纹扩展的群体效应造成宏观疲劳损伤累积和寿命消耗。......
2023-08-26
钢筋混凝土拉拔损伤演化的多尺度模拟
【摘要】：第一个案例是钢筋混凝土拉拔构件损伤演化致拉拔失效过程分析。在拉拔力－位移曲线的线性段，构件中靠近钢筋处只有部分局部发生损伤，其后钢筋附近的细观损伤区域越来越多，当拉拔力达到峰值（F点）以后，钢筋两侧已经都发生损伤，随着拉拔位移增加、损伤值不断增加达到脱粘阈值，导致拉拔力不断下降直至拉拔失效。
第一个案例是钢筋混凝土拉拔构件损伤演化致拉拔失效过程分析。利用前述的基于材料细观构造图像的混凝土细观损伤模型建立方法，重建了钢筋混凝土粘结部位的细观模型，如图6.34所示。
图6.34 基于图像的钢筋混凝土构件的细观损伤模型（彩图见附录）
利用图6.34的模型对钢筋混凝土构件在拉拔过程中的细观损伤演化进行数值模拟。模拟得到的拉拔力－位移曲线如图6.35所示，将模拟结果与实验获得的曲线进行对比，结果显示对钢筋混凝土构件拉拔过程的数值模拟可以很好地反映钢筋混凝土构件的宏观力学性能退化的行为。
图6.36给出在如图6.35所示的拉拔力－位移曲线上从A，B，…，L的不同状态下拉拔构件的细观损伤分布情况。由该图可见，应用混凝土细观损伤模拟方法，不仅可模拟构件宏观的拉拔性能劣化行为，同时还可以获得与拉拔性能劣化状态所对应的构件中的细观损伤演化情况。在拉拔力－位移曲线的线性段（状态点A～C），构件中靠近钢筋处只有部分局部发生损伤，其后钢筋附近的细观损伤区域越来越多，当拉拔力达到峰值（F点）以后，钢筋两侧已经都发生损伤，随着拉拔位移增加、损伤值不断增加达到脱粘阈值，导致拉拔力不断下降直至拉拔失效。
图6.35 模拟和实验得到的拉拔力－位移曲线
图6.36 钢筋混凝土拉拔过程中的细观损伤分布图（彩图见附录）
图6.37给出了构件拉拔过程中细观裂纹萌生、扩展、连接，最后发展到宏观裂纹的过程，其中每个小图分别给出在图6.35给出的拉拔力－位移曲线上A，C，D，E，F，…，L状态时的裂纹分布情况。由该图可见，在拉拔力－位移曲线的线性段（状态点A～C），构件中靠近钢筋处只有很少的细观裂纹，其后钢筋附近的细观裂纹越来越多，当拉拔力达到峰值（F点）以后，钢筋左侧几乎遍布细观裂纹，随着拉拔位移增加，钢筋两侧都遍布细观裂纹并且扩展、连接为宏观裂纹，导致拉拔力不断下降直至拉拔失效。
图6.37 拉拔过程中细观裂纹萌生及扩展过程（彩图见附录）
需要指出的是，构件中钢筋左侧混凝土的损伤（图6.36）和裂纹（图6.37）都明显的先于钢筋右侧的发生，这主要是由两个原因造成的：其一，钢筋左右两侧的混凝土各细观组分尤其是粗骨料的分布并不是对称的，具有各自无序非均匀的细观组分，在本案例的数值试样中，明显是钢筋左侧的粗骨料多于右侧。其二，拉拔案例构件的原型中钢筋本身是略微向左侧倾斜的。由此可见，如果不考虑混凝土内部真实的细观组分构造及其分布，是难以捕捉到和解释以上现象的。上述钢筋混凝土构件拉拔损伤演化致拉拔失效过程中的数值模拟结果，不仅可以很好地描述拉拔过程中钢筋混凝土构件的宏观力学性能退化的行为，而且还可以从细观尺度模拟粘结界面缺陷导致的细观损伤演化的过程，很好地揭示了细观损伤演化导致构件拉拔性能退化的机理。
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2023-08-26
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