新疆地区混凝土试件裂纹演化的分形特征及其协同演化模型研究

According to the damage characteristics of the concrete structure in Xinjiang region, based on the multiphase composite nature of concrete and distribution characteristics of concrete structures, crack which resulting in the destruction of concrete structures exhibit the problem of randomness and nonlinear mechanical properties, making the loading test of concrete specimens in laboratory, study the concrete specimens, crack evolution systematically. Fractal properties of concrete specimens’ crack distribution studied by fractal geometry and synergetic reveal the appearance of heat and labile mechanical self-organizing feature when the concrete specimens force far from equilibrium voluntarily, statistically analysis the average orientation law of crack evolution，study the mechanical mechanism of average orientation crack evolution, and put the average orientation in the evolution process of cracks parameter, and establish the fractal dimension of concrete damage crack co-evolution models the order parameter, introduced to the relationship of the stress-strain, and establish the constitutive relationship of concrete which consider the initial crack co-evolution; Develop constitutive relationship module of concrete which consider the initial imperfections co-evolution and embed professional analysis software to simulate visually and analysis the concrete structures; Finally, put the application of the project’s results into engineering for simulation and analysis, and Compare with observational data to test and refine the model. Completion of the project not only can promote the development of the theory of concrete damage destruction, but provide theoretical support for design of concrete structures.

针对新疆地区混凝土结构破坏特点，基于混凝土材料多相复合性质和混凝土结构裂纹分布特性致使混凝土结构破坏呈现随机性与非线性力学性质的问题，在实验室进行混凝土试件加载试验，系统研究混凝土试件裂纹演化规律。应用分形几何学和协同学研究的混凝土试件裂纹分布的分形性质，揭示混凝土试件受力自发远离平衡态而产生热机械不稳定的自组织特征，统计分析裂纹演化的平均取向规律，研究裂纹演化平均取向的力学机理，并将裂纹演化过程中的平均取向参数化，以此作为序参量建立混凝土破坏的分维裂纹协同演化模型，引入到应力应变关系中，研究建立考虑初始裂纹协同演化的混凝土本构关系；研制考虑初始缺陷协同演化的混凝土本构关系模块，嵌入专业分析软件，对混凝土结构进行可视化模拟和分析；最后应用本项目成果进行工程实例模拟和分析，并与观测数据对比，检验并完善模型。该项目的完成，能够促进混凝土损伤破坏理论的发展，同时为混凝土结构设计提供理论支持。

基于混凝土材料初始缺陷的影响和混凝土结构裂纹分布特性，应用分形几何学和协同学研究了混凝土试件裂纹分布的分形性质，揭示了混凝土试件受力自发远离平衡态而产生热机械不稳定的自组织特征，通过统计分析裂纹演化的平均取向规律，实现了损伤演化的定量预测研究建立了考虑初始裂纹协同演化的混凝土本构关系。.（1）通过混凝土受弯梁与受剪梁试件加载试验，结合分形几何学，对受剪梁裂纹的几何特征进行研究，将裂纹的分布特征量化，分析了不同变量对梁裂纹扩展规律的影响，并建立裂纹分形特征与构件力学性能参数之间的关系；利用分形理论定量统计混凝土梁受剪破坏裂纹分布，统计分析裂纹的平均取向演化规律，统计和定量描述了混凝土试件裂纹平均取向。.（2）以协同学理论为基础,选取声发射事件数为序参量,运用Lanvegin方程模型建立混凝土声发射过程的序参量方程,并结合绝热消去原理求解序参量方程,然后分别以无序与有序、自组织和自相似三个方面对钢筋混凝土梁受弯破坏过程的协同现象进行描述与分析；.（3）基于声发射技术，探讨了不同程度初始缺陷再生混凝土失稳破坏时声发射临界特征，并利用声发射特征掺量作为损伤变量，建立了考虑不同再生粗骨料初始缺陷的混凝土损伤本构模型。.（4）通过对预制不同初始孔隙率混凝土单轴压缩试验所获取的应力—应变全曲线及钢筋混凝土梁四点弯曲试验所获取的梁表面裂缝分形维数,借助Weibull统计方法与损伤力学理论,建立分形损伤本构模型,定量探究其损伤破坏演化规律。运用有限元分析软件,对无预制孔隙并与物理试验相同规格试验梁的开裂全过程进行数值模拟,实现可视化模拟和分析。