地震荷载下混凝土细观损伤断裂机理及多尺度动态损伤模型研究

准确描述地震荷载环境下混凝土材料的损伤演化机制及变形破坏规律是进行混凝土高坝地震灾变全过程仿真模拟及重大混凝土工程抗震安全评价的理论基础。塑性屈服和脆性断裂作为两种主要的细观损伤模式，在混凝土变形破坏过程中起到重要的作用。前期工作中通过建立细观统计损伤模型研究混凝土材料损伤演化机理，指出混凝土变形破坏实质是细观两种损伤模式的连续累积演化过程，其中屈服损伤模式是决定性的因素。本项目采用宏-细观相结合的多尺度研究方法，通过试验观测、细观数值模拟、建立细观统计损伤模型、建立宏观塑性-损伤耦合本构模型等多种研究手段，研究混凝土细观损伤演化机制和局部破坏规律，探寻材料变形破坏过程所遵循的内在动力学机制，建立宏观非线性力学行为同细观损伤演化机制之间的联系，研究地震荷载环境下混凝土的损伤演化规律。初步构建多尺度相协调的混凝土损伤理论研究体系，为混凝土材料损伤破坏机理以及损伤本构模型的研究提供新的思路。

准确描述复杂荷载环境下混凝土材料损伤机制及变形破坏特征是进行混凝土高坝地震灾变全过程仿真模拟及重大混凝土工程抗震安全评价的理论基础。本项目通过理论、试验、细观数值模拟多种研究手段，对混凝土材料静动态细观损伤演化机制进行了系统深入的研究，探寻材料变形破坏过程所遵循的内在动力学机制。. 理论方面，建立了相对独立完整的混凝土统计损伤理论框架。提出混凝土细观损伤基本假定，将细观损伤机制概括为屈服、断裂两种模式。基于统计损伤理论及等效物理元件模型，揭示了混凝土单轴拉伸、单轴压缩、多轴复杂应力状态下的静动态损伤机制，建立了相应的单轴及三维正交各向异性统计损伤本构模型。将单轴拉伸、单轴压缩作为最基本的损伤破坏形式，复杂应力状态下的细观损伤演化规律同单轴拉伸、压缩损伤演化过程存在一定的等效关系。混凝土所表现出的动态本构行为本质上是由于自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观损伤演化过程的改变，即改变了断裂和屈服两种细观损伤模式的累积演化过程。将整个变形破坏过程分为均布损伤和局部破坏两个阶段，强调临界状态的重要性，建议将其作为本构模型的最终破坏点。提出新的材料破坏理论，将材料变形破坏过程理解为以“损伤”为代价，通过自身潜在力学性能不断发挥和释放，以适应外界荷载环境变化的能动的自组织行为过程。. 试验方面，采用仿真混凝土开展了重力坝仿真模型的振动台动力模型试验。进行了仿真混凝土材料力学特性和尺寸效应试验研究，提出了在原料中添加黏土或细橡胶颗粒来改善其脆性的方法。研究了地震动工况下坝体的非线性动力响应及库水系统对坝体动力响应的影响机制。. 细观数值方面，提出一种综合性能参数概率体元建模方法，以强度和弹性模量的乘积作为衡量材料综合性能的基本力学参数，以其随机分布考虑材料细观非均质性，应用于混凝土材料细观数值模拟。提出一种以分形理论和有限元理论为基础的多尺度细观数值模型，模拟了混凝土试块单轴拉伸/压缩渐进破坏过程，反映出混凝土单轴变形破坏的渐进损伤演化过程。. 本项目研究为高性能混凝土力学性能试验研究提供了理论基础，为进一步开发复杂荷载环境下混凝土材料损伤本构模型提供了平台，为混凝土结构精细化数值分析技术提供了本构模型准备。