面向结构损伤预后的结构多尺度力学研究及其应用

损伤预后(Damage Prognosis)是指对可能发生的损伤过程及其后果的预测(A prediction of the probable course and outcome of a damage)，其思路是变检测损伤"结果"为预测损伤"过程"以确保结构安全。本项目拟用实验探讨、结构健康监测和多尺度理论等技术与方法研究在结构损伤预后分析中的若干结构多尺度力学关键问题：围绕损伤从细观发展到结构局部乃至整体失效的过程，揭示结构中不同尺度上损伤演化的合理表征，探讨结构不同尺度损伤演化之间的强耦合作用，阐明结构服役典型历程中多尺度损伤演化的主要规律及其对结构响应的影响；建立面向结构损伤预后的结构多尺度损伤分析理论；并应用于一类具有可靠监测数据的结构建立其损伤预后分析系统。研究成果将增加我们对工程结构损伤跨尺度演化规律和失效过程的了解，建立的损伤预后系统可使结构健康监测与安全评估更上一层楼。

结构损伤预后是保障结构全寿命安全的理想目标，而结构损伤多尺度演化过程模拟是损伤预后的核心。本项目以研究解决损伤预后中的若干结构损伤多尺度力学问题为目标，经过三年努力工作，已圆满完成预定研究内容和目标，取得了丰硕成果。完成的工作和取得的成果包括：通过损伤跨尺度演化过程的多尺度同步实验观测与分析，揭示了细、宏观不同尺度上结构损伤演化的主要特征，包括金属焊接结构在焊缝损伤区域的细观裂纹扩展的分形特征，和结构易损部位损伤导致的宏观响应非线性效应；建立了不同尺度损伤的合理表征及其关联，包括金属焊缝损伤区域的分形损伤变量的跨尺度表征、混凝土细观裂纹表征和损伤跨尺度演化特征、金属疲劳疲劳损伤多尺度表征及其跨尺度演化方程；建立了结构损伤细观/宏观/结构全尺度相互关联的、跨尺度耦合的损伤演化广义场方程组及其并发计算方法，发展了结构损伤演化过程中跨尺度界面动态模拟机制和实施技术，提出了结构损伤时空多尺度问题的基本方程及其分析方法。揭示了钢筋混凝土粘结界面损伤演化机制及其对结构响应的影响规律，建立了考虑损伤性能与物理非均质钢筋混凝土梁理论。发展了大型土木结构多尺度损伤预后分析的模型与分析方法，包括大跨桥梁一致多尺度模型及其修正方法、大跨钢桥钢箱梁疲劳损伤时变模型、大型土木结构多尺度损伤预后的关键科学问题与研究方法；提出了大跨桥梁结构服役载荷下的疲劳损伤预后分析方法，包括基于多尺度模拟的大跨桥梁结构易损局部处疲劳裂纹预后分析、大跨钢桥在服役载荷作用下的疲劳损伤预后分析方法、预后桥梁疲劳裂纹跨尺度扩展过程的安全可靠期理论等。发表了学术论文36篇，其中国际期刊论文10篇、国内核心刊物14篇、会议论文12篇；被SCI收录9篇次、EI收录22篇次；出版专著一本。获2013年度国家科技进步二等奖和2012年度江苏省科技进步一等奖。申请了发明专利6项。培养的研究生完成博士学位论文3篇、硕士学位论文4篇，这些成果一方面体现于结构损伤预后理论中的基础性科学问题的突破，包括揭示材料与结构在不同尺度上损伤演化的主要特征，建立不同尺度下损伤的合理表征及其跨尺度演化率、结构损伤跨尺度耦合的控制方程及其并发计算方法等；另一方面，针对大型土木结构在服役载荷（包括正常运营载荷与突发地震、台风等）作用下的损伤演化机制和主要规律发展结构损伤预后方法，可为建立大型土木结构多尺度损伤预后系统以保障结构全寿命安全奠定基础。