钢筋对大体积混凝土早期损伤演变的影响：一种完全耦合的化学-热-力学-损伤相场方法

《COMPOSITE STRUCTURES》：Steel reinforcement effects on early-age damage evolution of mass concrete: A fully coupled chemo–thermo–mechanical–damage phase-field approach

　　

Jian Ding|Xin Wang|Haim Waisman|Lining Ding|Shui Liu|Zhishen Wu

摘要

由于水泥水化热、温度梯度、收缩和机械约束的耦合作用，早期开裂在大量使用的钢筋混凝土（RC）中非常普遍，这会导致耐久性降低和钢材腐蚀加速。钢筋的影响不仅体现在宏观裂纹形态上，更根本地在于其对早期损伤发生和发展的调控作用。然而，现有的实验方法和传统的数值模型难以捕捉从损伤到开裂的连续转变过程，从而阻碍了对钢筋效应的机理理解。为了解决这一局限性，本文开发了一个基于相场方法的完全耦合的化学-热-力学-损伤模型。该模型源自统一的自由能泛函，并满足热力学第二定律，能够在单一框架内连续描述损伤的发生、发展和裂纹的形成。该模型使用ABAQUS软件中的UMAT和UMATHT子程序实现，并通过一个实际的大体积混凝土墙体实验进行了验证，显示出良好的内部一致性。进一步分析表明，钢筋主要通过改变内部约束和应力重分布来调控损伤的发展，而不仅仅是延迟损伤的发生。相比之下，膨胀剂主要通过应力调整来推迟损伤的起始，但其对后续损伤发展的影响仍然有限。所提出的框架为理解和定量分析钢筋控制的早期损伤和开裂提供了机理基础，并为通过早期损伤调控来提高长期耐久性提供了理论支持。