波浪冲击作用下近岸混凝土结构物涂层剥蚀机理

Coating debonding is one of the major causes of marine structures' destruction. Wave impact has aggravatedthe erosion of structure coating in splash zones, which resulted in early failure of structures. As a result, it would lead to huge economic losses,and may even cause sudden disasters. This project, therefore, attempted to study the mechanism of coating erosion in the splash zone under wave through combining the marine hydrodynamics and coating interfacail debonding. Based on the experiments of wave flume, the temporal and spatial distribution of wave impact force in the splash zone were studied. Further, the characteristics of the impact load spectrum was quantitatively analyzed. With the combination of macro-mechanics and meso-damage mechanics, the mechanism of coating erosion in the splash zone was investigated. Finally,the relationship between wave impact loadings and the evolution process of coating damage was discussed.Based on above studies, the ABAQUSwas further developed, and it was parallelized to study the stress-strain response regularity for structure meso-damage under the effects of wave impact load. It finally reveals the evolution process and erosion mechanism of coating damage in the splash zone.This study will benot only of important theoretical significance but also of application value to prolong the service life of themarine structures. The results may provide a guidance for further studying the durability of marine structure coating.

涂层剥蚀是导致海洋结构物破坏的主要原因之一。尤其是浪溅区波浪的反复冲击加速了涂层剥蚀，致使结构物提前失效，造成了巨大的经济损失，甚至可能引发突发性灾难。将波浪冲击力与结构物涂层界面损伤演化相结合，开展波浪作用下混凝土结构物涂层剥蚀机理研究。对延长海洋结构物使用寿命具有重要的理论意义和应用价值。基于波浪水槽实验，研究波浪冲击墙式结构物过程中冲击力时空分布规律，定量分析冲击力荷载谱。并作为宏观力学试验外荷载，开展结构物/涂层宏观力学和细观损伤实验，分析涂层界面的动态应力响应过程，构建涂层界面的损伤本构模型，揭示损伤演化动态响应过程。采用全耦合方法，进行ABAQUS二次开发，建立交变荷载作用下的结构物/涂层复合结构损伤数值模型，分析涂层界面在波浪交变荷载作用下界面损伤度及应力状态的演化规律，揭示波浪作用下墩柱结构物涂层损伤演化过程及其剥蚀机制。为海洋结构物涂层设计和施工标准制定提供理论依据。

浪溅区波浪的周期性冲击加速了结构物涂层剥蚀，导致结构物提前失效，造成了巨大的经济损失，甚至可能引发突发性灾难。因此，波浪冲击力作用下结构物涂层界面损伤演化及剥蚀机理研究是延长海工结构物生命周期的关键之一。基于N-S方程和RNG k-ε紊流模型，建立了三维数值水槽，研究了浪溅区墩柱结构物波浪冲击力时空分布规律，建立了基于波高、周期和水深的波浪冲击力荷载谱，并作为结构涂层冲击荷载分析其响应特性；基于损伤力学和内聚力模型基本理论，采用接触属性模拟混凝土涂层粘结作用，建立了气泡初始损伤涂层界面内聚力模型，揭示了脱粘扩展后期涂层界面动力响应规律，并建立了涂层界面损伤本构模型；采用内聚力单元模拟混凝土涂层粘结作用，开发了用户自定义疲劳损伤内聚力单元材料属性，探讨了界面初始损伤局部细观应力应变场及其演化过程，揭示了波浪作用下浪溅区涂层剥蚀机制。研究结果表明，波浪对结构的冲击力主要分布在迎浪面，具体表现为x方向的水平总力，水平总力不受水深和周期影响，与波高呈正比关系，随波高增减而增减；在迎浪面上，静水面处点压力最大，各高程点压力随与静水面距离增加而减小，且距离静水面距离相同位置处，水下点压力大于水上点压力；涂层气泡初始损伤演化分为疲劳损伤累积、脱粘扩展前期和脱粘扩展后期三个阶段；疲劳损伤累积阶段，混凝土涂层界面应力应变主要集中于气泡初始损伤底部内聚力单元，使得该部位疲劳损伤累积较快，由损伤力学和内聚力模型基本理论可知，当损伤变量达到1时，内聚力单元失效删除，涂层界面出现脱粘损伤；脱粘扩展前期阶段，脱粘区域以气泡底部形状为雏形往外扩展，最终形成圆形脱粘区域，该阶段应力应变仍集中于涂层区域边缘部位，脱粘速率相对较快；脱粘扩展后期，应力应变集中于脱粘区域中心，在波浪长期作用下出现裂缝，使得涂层丧失保护作用。项目研究结果可为海洋结构物涂层设计和施工标准制定提供理论依据。