多尺度耦合-湿度计方法对生命周期的性能评价外文翻译资料

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多尺度耦合-湿度计方法对生命周期的性能评价。

结构混凝土

文摘:结构混凝土的湿气和裂缝是结构混凝土的一大难题，理解两者之间的多尺度相互作用是确定长期耐久性性能的关键。本文采用三维集成微材料结构模型，对预应力混凝土桥梁高架桥中混凝土徐变过程中水分运移/平衡及相关体积变化进行了研究。研究发现，在水泥微孔中，由毛细管表面张力和分离压力所驱动的水分迁移相关的偏转，占了宏观挠度的25 - 45%。这些表面的运动学可以通过将与湿度有关的时间依赖偏转加入到由外部载荷引起的机械引起的蠕变中来近似。本文还讨论了在运动荷载作用下在开裂的钢筋混凝土桥面下的水裂作用。研究发现，在高速交通条件下，上层甲板上的水存在可使甲板的疲劳寿命缩短一个半小时。这一减少的生命是讨论的高水压发展超过大量的车轮通道，除了减少的剪切传递沿着裂纹平面。。这项工作根据《知识共享署名4.0国际许可证》，http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。

作者关键词:多尺度分析;微孔隙;预应力混凝土高架桥;钢筋混凝土板;疲劳;蠕变;剪切能力;自干燥。

介绍

目前，许多世界的桥梁严重恶化。在日本，这一比例约占整个钢筋混凝土桥梁总数的25%(NILIM2011年)，在欧洲(Daly2000)，大约占全国道路或所有道路的1542%。由于安全运输的适用性受到严重的影响，人们对耐久性的担忧与日俱增。开裂似乎是影响钢筋混凝土耐久性的最普遍的因素。钢筋混凝土桥面特别容易开裂。由于车轮荷载的运动，表面裂缝可能形成，现有裂缝可能会传播——要么打开，要么关闭，要么滑动。

-成为疲劳损伤累积的驱动因素。由于车轮的运动，内部裂纹也会在钢筋混凝土甲板的劣化过程中发挥潜在的作用。在退化的初期，这些裂缝是看不见的，不容易被发现，但它们可能会传播，成为坑坑和混凝土盖剥落的触发器(松井1987年)。

水是破坏性机制中另一个普遍的因素。因为水存在于裂缝面和高水压之间。

¹日本东京大学土木工程系教授，日本东京大学，7-3-1，东京113-8656，日本(通讯作者)。电子邮件:koichi_maekawa@civil.t.u-tokyo.ac.jp

²日本东京大学土木工程学系教授，东京大学，东京113-8656号。

³助理教授，土木工程系，东京理工大学，日本，东京，2-12-1。

请注意。这份手稿是2013年8月19日提交的;2013年11月13日批准;2013年11月15日在网上发布。讨论

截止到2014年10月30日;单独的讨论必须提交给个别的文件。本文是《华尔街日报》的一部分材料在土木工程中,copy;陈纯ISSN0899-1561 /A4014003(9)/ 25.00美元。

在高速交通(MaekawaandFujiyama2013)时可能会发展。这一现象在实验和分析中被发现加重了疲劳寿命(Maekawaetal.2006;松井1987)。除了在裂缝中存在外，最近还发现混凝土微孔结构中的水迁移影响预应力混凝土桥的使用性能。虽然混凝土孔隙内的水很明显地以缓慢的速度迁移，但是在许多PC桥上的过度挠度(Ohno et al. 2012;前川et al . 2011年)。

虽然裂缝和水显然是混凝土桥梁的两个相互连接的祸害，但工程师们已经分别解决了这些问题。从材料工程师的角度来看，开发一种具有良好的裂缝控制的混凝土是非常重要的(Li 2003)。然而，在桥面使用时，这种材料的成功是有限的，这可能是由于水的雪球效应(Mitamura 2007)和裂缝的剪切(Suryanto et al.2010)。从结构工程师的角度来看，用一个手来满足结构要求是很有意义的，另一方面，在未破碎的状态下保持混凝土。水诱导的时间依赖行为，如果不是精心设计的，可能会成为长期服务能力的临界极限状态，就像目前世界上许多PC桥的情况一样显然，水裂纹的相互作用是复杂的，涉及到从微观混凝土孔隙到宏观结构尺度的各种尺度。

考虑到问题的复杂性，作者开发了一种结构混凝土的多尺度、多化学物理分析方法，即DuCOMCOM3(Maekawaetal.2008)。该平台用于预测PCRC桥在实际应用中的适用性。同时，研究了基于耦合微耐久性和宏观耐磨性机理的水裂纹相互作用的影响。在本研究中，采取了统一的方法。

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在过去的十年中，使用耦合的水力学和多尺度概念的实际问题得到了发展。

分析平台:DUCOM和COM3。

本文提出的耦合DuCOMCOM3(Maekawaetal.2008)是一个多尺度分析平台，将DuCOM(Maekawaetal.1999)和COM3(Maekawaetal.2003)联系起来，这是在过去几十年里发展起来的，如图1所示。DuCOMmicrodurability平台能够模拟水泥hydration,微孔结构的形成,和大众运输混凝土从纳米到mu;m尺度,而COM3是一个3d中尺度平台处理机械的操作结构混凝土从毫米到m尺度,与深入的考虑时间,循环,无裂缝,裂缝的混凝土的疲劳行为。

如果目的是追溯混凝土材料性能的变化，考虑环境条件的影响，并考虑这些影响来预测结构混凝土的反应，ducomcom3可能是目前的实际选择。如果意图是在短期动态、长期持续和疲劳加载条件下跟踪RC结构的时间依赖性响应，而环境操作的影响很少，那么推荐使用基于任务的单一代码COM3来简化。最近，Maekawa和Fujiyama(2013)合并了内部裂缝的中尺度模型。在此基础上，利用多方向性裂纹概念，对裂纹平面的水运动各向异性特性进行了处理，并以具体的方式对水混凝土相互作用进行了研究。

由于ducomcom3是由许多材料和结构模型组成的，在每一个化学物理事件中验证不同的尺度是至关重要的，就像在大规模基础设施水平上的验证一样。对微尺度和介孔进行了细致的专家鉴定(Maekawaetal.2008)，以(1)微孔尺寸分布、(2)热水化速率、(3)循环湿热等为基础的热力学定理，(4)气体和。

液体扩散系数通过气孔，(5)水泥浆料的孔隙湿度，(6)自收缩，(7)干燥时的自由应力体积变化，(8)在更大的温度范围内的明显蠕变，

(9)裂纹面上的剪切应力传递，(10)拉伸刚度和软化，(11)压缩软化。此外，在结构成员层次上的核查是必不可少的。本研究的平台通过使用(1)平面内、外切的RC板的实验数据，对(Maekawaetal.2009)进行了研究。(2)钢筋混凝土梁与不同配筋率、材料强度和有效深度的剪切破坏;(3)梁、板在承受荷载作用下的蠕变挠度;(4)钢筋混凝土梁、板材的高循环疲劳寿命;(5)RC柱、壳体的低循环动力响应和延性;(6)结构混凝土的振动台试验;(7)腐蚀钢筋混凝土梁和管道的承载力;(8)腐蚀构件开裂模式。本文主要集中在实际规模的基础设施上，作为许多微尺度行为模拟的综合模拟。

这里,平台的用户请输入(1)混凝土混合比例,(2)水泥矿物组成,(3)比重的水泥和骨料,(4)aggregates吸收比率,(5)初始温度的新鲜混凝土,(6)环境昼夜和湿度,(7)目标结构的尺寸和形状,使离散域为有限元素分析,(8)的位置和数量的钢筋。用户不需要输入混凝土的强度和其力学性能，如蠕变、收缩、温升、扩散率和渗透率，因为这些都是作为变量在平台内计算的。

PC桥的长期偏转模拟。

在本节中，重点介绍了积分-grated - com3分析的特点，不仅预测了大跨度预应力混凝土高架桥的挠度，同时还解释了引起过度挠度的两个主要因素:机械和热力学诱导的时间因素。

图1所示。DuCOM和COM3的示意图。

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图2所示。依赖时间的蠕变模型和目标桥梁。

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建模

日本的四座大跨径的PC桥被建模为:tsuki,Konaru,Fukatani，和Uradobridges。图2是本研究中使用的时间依赖性本构模型的总结，与混凝土细孔隙中的水分状态(Asamotoetal.2006)和每个桥的尺寸(Ohnoetal.2012)有关。水化水化模型和微孔形成提供了基于环境温度和水泥矿物化合物的硬化水泥浆料的总孔隙度和孔径分布。利用这些微孔空间可以利用蒸汽和冷凝水的热力学要求来解决中间层、凝胶和毛细管孔隙的含水率。该信息被转发到凝固模型，如图2所示。根据水化过程，假定由虚拟的缓冲器组成的分步簇形成，重新呈现水汽的微运动学。假设集团应力的总和为混凝土复合材料的总应力。然后，由于这些特性是在多尺度基础上自动考虑的，所以不需要对蠕变系数和干燥收缩进行输入。例如，当水分通过干燥失去水分时，毛细管表面张力和分离压力被创造出来，而这些内力被用来作为变形阻尼器单元的驱动力，如图2所示。

所有的桥梁都有一个具有不同深度的空心钢梁。在分析中，这些桥梁被建模为静态地去终止悬臂梁，在中心跨度的支撑下，代表梁的支撑，除了Fukatani桥，在10年之后，中心铰链连接在一起。

图3显示了表示桥梁几何形状的有限元离散化。由于局部湿度的高梯度和早期孔隙水压力，在环境大气环境下的结构表面附近的元素尺寸被设定为m级。沿纵向方向的元素长度假设为0.5到1.5m。为了避免有限元素的剪切锁定，应用了增强的应变公式(Kasper和Taylor1997)。对于这种弹性主导模式，选择的尺寸被确认是有效的，满足了热工和机械的要求。在大梁的内外表面，考虑到月平均温度和湿度的发生，除了最外面的表面，由于路面的存在，水分的迁移被认为是不发生的。

不考虑现场负荷;相反，只考虑自重。在混凝土浇注后的两周内，将预应力应用于钢筋混凝土的预应力筋。在分析中，这被认为是挠度开始进步的时候，而不是在完成一段时间(大约6个月)的时候。在早期和几个月后，分别考虑0.01和25天的时间步骤(当局部湿度梯度稳定时)。

分析结果

图4为桥梁的测量、设计预测和分析的对比。如图所示，该分析合理地估计了过去几十年测量的挠度，而基于水分状态下基本蠕变的设计代码预测提供了严重的低估，尤其是在10年之后，尽管设计代码公式几乎与施工后2年的初始偏差匹配。Urado Bridge的情况非常特殊。设计代码模型似乎提供了合理的预测。然而，在这种情况下，设计。

图3所示。目标桥梁的离散化，只显示半模型。

徐变系数被有意设定为比安全标准高约60%，因为Urado桥是日本大跨度PC高架桥的第一个挑战。分析预测挠度是由温度和湿度季节变化引起的。

热湿和机械蠕变的作用。

为了更好地了解影响前隐性挠度的机制，我们进行了三种参数分析:一是充分暴露于周围环境，无负荷;第二种情况，考虑自重和外部载荷，但在混凝土微孔中没有混凝土干燥引起的内部驱动力;第三种情况，考虑所有的相互作用。因此，I、II和III的情况分别代表热湿、机械和明显的蠕动。环境温度和相对湿度(RH)维持在15.8°C和67%,分别。

由于不同厚度的法兰的失水率不同，所以我主要是与不同的体积收缩量和上下法兰的加固量有关。案例二的虚构偏转，归结为湿条件下的混凝土基本蠕变和钢筋的变形约束。在这种情况下，与时间相关的塑性流动收益，但与微裂解相关的计算破裂是微不足道的。因此，在这种分析中，更少的物质损害。

图5为参数化分析结果。热湿挠度(CaseI)的贡献在总偏差中约占25%，45%。很明显，充分考虑在小的混凝土孔隙中运输是至关重要的。此外,

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