1、從微細觀尺度上看，混凝土、巖石等脆性固體材料先天上就存在大量的微裂紋。盡管工程結構設計與分析時忽略其中的微裂紋將其視為宏觀連續(xù)材料，但在材料與結構的破壞分析中，這些先天的微裂紋是不可忽略的決定性因素。本文的目標是研究這類脆性固體材料中以微裂紋擴展為主導的損傷跨尺度演化致破壞的過程，建立其分析理論和計算方法。為此本文將混凝土巖石這類脆性材料稱之為“脆性微裂紋材料”以特別關注從模擬微裂紋特性出發(fā)的損傷跨尺度演化問題。本文對混凝土材料及構件的

2、破壞進行了全面的數(shù)值模擬研究，主要工作覆蓋了單個骨料破壞、混凝土材料層次的破壞、混凝土梁構件層次的破壞以及疲勞破壞等多個方面。研究過程中發(fā)展出了脆性微裂紋材料破壞的損傷跨尺度演化的數(shù)值模型和界面裂紋擴展計算模型。通過自行設計微裂紋擴展的模擬算法、形成了較成熟的模塊化程序，采用二次開發(fā)的方式在商用有限元軟件平臺上實現(xiàn)了上述分析理論與計算方法。本文的主要研究內容和成果如下:
　　1.發(fā)展了界面裂紋動態(tài)擴展的數(shù)值計算模型
　　在研

3、究單個骨料界面/基體裂紋連續(xù)擴展的過程中，本文發(fā)展出一個界面裂紋動態(tài)擴展的數(shù)值計算模型。由于目前的有限元商用軟件無法實現(xiàn)界面裂紋的不指定方向擴展，本文對商用軟件進行二次開發(fā)，解決了上述擴展問題，可成功模擬界面裂紋向基體擴展（成為普通裂紋）的過程。
　　2.研究了單骨料體元的破壞規(guī)律
　　以此為工具，研究了混凝土骨料/基體界面裂紋的行為規(guī)律。考察了三個因素（邊界約束條件、骨料方向，界面斷裂能）對骨料/砂漿界面破壞行為的影響。研

4、究發(fā)現(xiàn)，側向拉伸約束、顆粒與拉伸夾角減小、界面斷裂能增大會提高界面破壞強度。骨料/砂漿界面裂紋擴展有兩個特點，1）界面裂紋的擴展路徑為:先擴展到長軸的兩端，然后進入基體;2）裂紋沿界面上的擴展呈現(xiàn)脆性的性質，一般為不穩(wěn)定擴展。上述三個因素基本不改變該擴展模式。因此，可將界面裂紋通過映射處理成普通裂紋，這在模擬多相體內部缺陷擴展時可規(guī)避處理力學性質復雜的界面裂紋問題，該結論是后文所提出的混凝土微觀多裂紋數(shù)值模型的基礎之一。單個骨料界面破壞

5、的強脆性還說明，只考慮單個骨料破壞所得到的結論不能到推及至整個混凝土材料。
　　3.提出了準脆性材料破壞的微裂紋跨尺度擴展數(shù)值模型
　　在上述研究結果的基礎上，結合Krajcinovic混凝土模型的學術思路，本文發(fā)展出一個模擬準脆性材料破壞的微觀多裂紋模型。本模型只含有幾個最基本的假設和前提，直接從混凝土破壞的微觀機理以及最基本的線彈性斷裂力學理論出發(fā)，可模擬微裂紋萌生、匯聚、宏觀裂紋形成及動態(tài)擴展直至破壞的全過程。在此過程

6、中，解決了多裂紋擴展中裂紋的聚合、連接和交匯這一關鍵問題，可成功模擬復雜的多裂紋擴展形態(tài)。在對商用軟件的二次開發(fā)過程中，模塊化上述算法，具有一定的通用性。
　　4.進行了拉伸試樣的數(shù)值實驗與破壞機理研究
　　利用上述微觀多裂紋模型進行拉伸破壞的模擬，考察骨料配比對混凝土力學性能的影響，探討構件拉伸破壞的機理與規(guī)律。結果表明，拉伸破壞具有單主裂紋和多主裂紋兩種失效模式;混凝土強度隨骨料體積比的增加強度呈現(xiàn)先下降后提高的V曲線趨

7、勢;骨料體積比增加使得混凝土能夠更好得耐受損傷，脆性減小，延展性變大?？偟膩碚f，在骨料級配保持不變的情況下，增加骨料比例總體上可以改善材料的力學性能，但骨料比例不能過低，20％到40％區(qū)間范圍內的混凝土材料性能與低配比混凝土相比，力學性能反而得不到提高。
　　5.建立了同時包含宏觀模型和上述微觀多裂紋模型的多尺度模型
　　利用并行多尺度的建模策略，建立同時包含宏觀模型和上述微觀多裂紋模型的多尺度模型。在混凝土破壞的重點區(qū)域建

8、立微觀的多裂紋模型，而在非重點區(qū)域建立宏觀模型，這兩種區(qū)域的界面通過位移協(xié)調的方法加以連接。本模型一定程度平衡了純微觀模型的計算效率問題，在本文中主要用于混凝土梁的破壞模擬。
　　6.進行了混凝土強度尺寸效應的數(shù)值實驗與機理研究
　　利用上述多尺度模型進行了混凝土強度尺寸效應的數(shù)值實驗，并從缺陷跨尺度演化的角度探討了發(fā)生機理。結果表明，試樣尺寸增大，名義強度減小，斷裂能增大，力學性能離散度減小;相比于Bazant尺寸律，數(shù)值

9、分析數(shù)據(jù)更符合Carpinteri尺寸律。缺陷跨尺度的非線性串級發(fā)展可能是導致混凝土尺寸效應的原因之一。
　　7.進行了混凝土梁的疲勞破壞數(shù)值模擬
　　在上述多尺度模型的基礎上，引入疲勞裂紋擴展率，實現(xiàn)了混凝土梁的疲勞破壞數(shù)值模擬。梁疲勞破壞模型的特點在于每一計算步中，多個裂紋會同時擴展。對同一試樣在不同的疲勞應力水平下進行了疲勞數(shù)值實驗，獲得的混凝土疲勞破壞的S-N曲線與實際情況相符，模擬得出的破壞形態(tài)與已有實驗數(shù)據(jù)也基本