由于混凝土材料是一种多尺度条件下的复合材料，所以必须借助多尺度方法与技术来实现对其损伤劣化和氯离子扩散性能的研究。本项目基于多尺度分析方法和模拟技术以及多孔介质力学理论，分析和提炼出一系列结构混凝土多尺度损伤和传输的理论问题，揭示了荷载作用下结构混凝土的损伤劣化和氯离子扩散性能演变规律。 首先，根据混凝土微结构特征尺度的大小，将混凝土划分为五个层次，各层次因微结构特征不同采用不同的传输模型，通过多尺度过渡法将影响结构混凝土传输的主要微结构特征参数与氯离子有效扩散系数之间建立了定量关系；其次，基于复合材料细观力学理论和多孔介质理论，建立了含多夹杂的Mori-Tanaka和IDD法预测结构混凝土中氯离子有效扩散系数模型，揭示了夹杂形貌和体分比对有效扩散系数的影响规律和机理；第三， 基于细观力学理论，初步建立了IDD法预测侵蚀性介质在含损伤混凝土中传输的预测模型；第四，以能量和残余应变作为损伤变量，将疲劳损伤过程划分为三个阶段，建立了疲劳损伤演变方程；并发现当残余变形到达120μ时，能量释放率急剧增大，材料进入快速破坏阶段，并引起了混凝土中氯离子扩散系数的显著变化，此处可以界定为引起耐久性显著变化的损伤临界点；第五，基于CT和纳米压痕微观试验和细观模拟的方法，揭示了水泥净浆在氯盐溶液中钙离子严重流失，微结构由密实变为相对疏松，微观力学性能下降。从而揭示了氯盐溶液对水泥净浆试样的溶蚀机理，并将钙离子流失引起的损伤与疲劳损伤相结合，探索了在疲劳和氯盐耦合因素作用下，结构混凝土的损伤劣化规律；第六，建立了疲劳载荷与冻融循环耦合作用下结构混凝土耐久性研究新的试验制度, 提出了混凝土疲劳荷载和冻融耦合作用下损伤耦合系数的计算方法；第七，针对疲劳损伤发展的第二阶段, 以残余应变为损伤变量，利用循环寿命比等价的关系，借助残余变形的纽带，建立了疲劳载荷与氯盐耦合作用下结构混凝土的服役寿命预测方法。从中发现氯盐与疲劳载荷耦合作用下, 结构混凝土的服役寿命大大缩短。通过本项目研究，揭示了氯盐和荷载耦合作用下结构混凝土的传输规律、损伤机理，取得的结论不仅能揭示结构混凝土微结构的演变和侵蚀性离子（氯离子）传输诱发的钢筋锈蚀进而导致结构失效的原因，而且为青荣城际铁路跨双岛港大桥关键部位结构混凝土的寿命评估和预测提供理论依据并应用。 2100433B

结构混凝土是一种多尺度条件下的复合材料，借助多尺度方法与技术来实现对其损伤劣化和氯离子扩散性能的研究是必要的。本项目基于多尺度分析方法和模拟技术以及多孔介质力学理论为基础，通过建立氯离子在结构混凝土中传输的多尺度模型，揭示结构混凝土中不同尺度、不同组分对其氯离子扩散系数的影响机理；依据细观损伤力学、现代测试和图像分析技术，建立在荷载（静载和疲劳荷载）作用下结构混凝土多相细观力学模型，揭示荷载作用下微结构的演变与宏观本构之间的关系；基于结构混凝土的多尺度传输行为和荷载对结构混凝土的损伤劣化机理,确立合理的损伤变量和评价指标进行荷载(特别是疲劳荷载)与氯盐耦合作用下结构混凝土损伤劣化的宏观、微观试验方法，分别建立静载和疲劳荷载作用下结构混凝土中氯离子扩散系数的多尺度模型和寿命预测方法，揭示荷载对氯离子在结构混凝土中传输的影响机理。

近海及海洋工程结构的混凝土在服役过程中不仅会经受氯盐的侵蚀作用，而且还会承受包括风荷载、车辆荷载、波浪荷载甚至地震等荷载的作用。荷载作用会改变混凝土的微/细观结构形式，甚至产生新的裂纹，改变氯离子的传输边界条件，影响混凝土的渗透扩散特性。本项目拟采用理论解析与数值模拟相结合的方法，结合混凝土微/细观尺度下的物理和力学特性，建立力学荷载和氯盐环境耦合作用下混凝土中氯离子扩散特性研究的理论解析模型以及微/细观多尺度数值分析模型与方法；对比理论解析结果、微/细观尺度数值模拟结果与现有相关荷载影响的试验结果，验证模型与方法的合理性和可靠性；研究荷载加载形式对混凝土中氯离子扩散行为的影响规律，揭示加载水平对混凝土表观扩散特性的影响机制；建立加载后混凝土中有效氯离子扩散系数与应力水平或损伤因子之间的定量关系。本项目建立的理论和数值方法可为荷载与氯盐环境耦合作用下混凝土耐久性设计及评估提供理论指导。

本书介绍了作者带领的研究团队十多年来在大型土木结构损伤多尺度模拟与分析领域的主要研究成果及其在结构抗震分析、桥梁疲劳损伤预后分析中的应用。本书主要内容包括：微细、宏观尺度上材料与结构的损伤特征观测与分析，不同尺度上材料与结构损伤的合理表征及其量化方法，结构损伤多尺度分析的基本方程与计算方法，结构损伤多尺度分析的实施流程及其验证，损伤跨尺度演化致混凝土构件局部失效的模拟与分析，混凝土结构损伤演化致失效过程的多尺度跨层次自适应模拟与分析，以及大跨桥梁钢箱梁结构疲劳损伤演化过程的多尺度跨层次模拟。本书同时介绍了这些理论与方法在钢筋混凝土框架结构损伤失效分析与重大桥梁工程结构疲劳损伤演化过程模拟中的应用。

近海及海洋工程结构的混凝土在服役过程中不仅会经受氯盐的侵蚀作用，而且还会承受包括风荷载、车辆荷载、波浪荷载甚至地震等荷载的作用。荷载作用会改变混混凝土土的微/细观结构形式，甚至产生新的裂纹，改变氯离子的传输边界条件，进而最终影响混凝土的渗透扩散特性。混凝土的扩散渗透性能与其微观结构密切相关。在微观尺度上，砂浆和界面过渡区均可视为由无孔砂浆基质和孔隙水夹杂相组成的两相复合材料，二者的主要区别表现为孔隙率不同。在外荷载作用下，砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率及孔隙连通性会发生改变，从而改变混凝土的扩散性能。进而建立了的低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度理论分析方法，获得了混凝土表观扩散系数与外荷载及砂浆和界面过渡区当前孔隙率的定量关系。将外荷载作用的影响等效为外荷载引起的混凝土孔隙率的改变对氯离子扩散特性的影响，提出了荷载作用下混凝土氯离子扩散行为研究的细观分析模型，研究了压缩荷载对混凝土中氯离子扩散特性的影响，得到了氯离子有效扩散系数与压缩应力水平之间的关系式，揭示了压缩应力水平的影响规律。提出了一种统一的考虑裂缝影响的氯离子扩散特性公式，并基于此对开裂混凝土中氯离子的扩散行为进行了宏观与细观数值模拟与分析。模拟结果与试验结果的良好吻合，证实了所提出的定量关系以及数值分析方法的合理性与准确性。模拟结果还表明，开裂混凝土中氯离子的扩散行为不仅与裂缝宽度相关联，而且与裂缝的深度密切相关。另外发现高强混凝土中氯离子的扩散行为对裂缝更为敏感。为研究角部钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层开裂破坏行为，建立了角部钢筋的非均匀锈胀模型。以施加非均匀径向位移方式来表征钢筋锈胀对周围混凝土的力学作用。基于该方法对钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观数值模拟，对比了宏观均质模型和细观非均质模型下不同钢筋锈胀模式导致的保护层开裂模式；并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式以及钢筋锈胀压力的影响规律。在项目的支持下，申请人于2018年度获得“国家自然科学基金优秀青年基金”项目资助；发表相关的Sci/Ei检索论文5篇，软件著作权1项；协助培养硕士生2名，博士生1名。 2100433B