《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：A fully coupled thermo-damage model for concrete cracking with two-way field interactions
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摘要翻译：
本研究提出了一种用于模拟混凝土开裂的全耦合热-损伤框架，该框架集成了双向热-力学场相互作用。研究中采用了多种策略来建立热场与力学场之间的耦合关系：从热场到力学场的耦合通过温度相关材料属性、自由热应变(FTS)和荷载诱发热应变(LITS)实现；从
摘要翻译：
本研究提出了一种用于模拟混凝土开裂的全耦合热-损伤框架，该框架集成了双向热-力学场相互作用。研究中采用了多种策略来建立热场与力学场之间的耦合关系：从热场到力学场的耦合通过温度相关材料属性、自由热应变(FTS)和荷载诱发热应变(LITS)实现；从力学场到热场的耦合则通过裂纹热阻(CTR)引入。开裂过程采用基于零厚度界面单元并与拉伸损伤法则相结合的离散单元间方法进行模拟。本研究利用商业有限元软件中的全耦合温度-位移求解程序实施该框架，并通过一系列验证算例与文献中的实验及数值结果进行对比，证明了该模型能够较好地捕捉混凝土在热-力学耦合作用下的主要响应特征。完整模型的对比分析表明，忽略CTR会导致裂缝开度的过高估计，而忽略LITS则会高估结构承载能力并产生非保守的软化行为。本研究的主要贡献在于将已有的热-力学退化机制统一整合进一个具有显式双向场相互作用的整体式有限元实现框架中，为混凝土热-力学开裂分析提供了一种实用且可复现的计算策略。
论文解读：
研究背景与问题：混凝土在火灾或高温环境下的安全性评估是结构工程中的重要课题。温度升高会导致混凝土刚度下降、承载能力降低，并引发微裂纹的萌生与扩展。热-力学耦合问题中，温度场通过热应变和材料性能退化影响力学响应，而力学损伤（开裂）又会改变热传导路径，即裂纹热阻(CTR)效应。然而，现有研究大多仅考虑单向耦合（热→力），或忽略LITS、CTR等关键机制。Zhou等人指出，尽管大量研究关注热荷载对力学响应的影响，但开裂对温度场反作用的研究较少。因此，需要建立一个能同时考虑双向耦合、综合多种退化机制的统一计算框架。
研究内容与结论：研究人员开发并实现了一个全耦合热-损伤模型，将温度相关材料属性、自由热应变(FTS)、荷载诱发热应变(LITS)和裂纹热阻(CTR)集成于整体式(monolithic)有限元方案中。通过多个算例验证，该模型能准确模拟不同温度条件下混凝土梁的拉伸破坏、三点弯曲、约束杆受热等行为。完整模型分析表明，忽略CTR会高估裂缝开口位移(CMOD)，忽略LITS会高估承载力和变形，证实了双向耦合的重要性。该研究的意义在于提供了一个可复现的、能统一描述双向热-力学相互作用的计算工具，为混凝土结构火灾安全评估提供了更精确的数值方法。论文发表于《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》。
关键技术方法：研究人员采用基于连续介质力学的控制方程，使用零厚度界面单元配合指数软化拉伸损伤法则模拟裂缝萌生与扩展；通过温度相关函数描述弹性模量、抗拉强度、断裂能、泊松比、密度、导热系数、比热和热膨胀系数等属性；采用Thelandersson提出的LITS本构关系；CTR通过界面单元中导热系数随损伤变量线性衰减（从混凝土值降至空气值0.024W/m°C）实现；求解采用商业有限元软件(如Abaqus)的全耦合温度-位移程序，并使用IMPL-EX积分方案更新应力与内变量。样本队列来源：所有验证算例的材料参数和几何数据均取自文献中已发表的实验和数值研究（如Wu等[37]、Zhou等[29]）。
研究结果：
验证测试：针对悬臂梁在预设温度下的单轴拉伸、三点弯曲缺口梁在不同初始温度下的加载、三点弯曲缺口梁在热-机械耦合加载下的位移演化、单边缺口梁在局部加热下的混合模式裂纹扩展、约束杆在高温下的应力演化，以及双边缺口板在非比例加载下的CTR效应，分别进行了数值模拟。通过与文献中的实验结果和数值结果对比，峰值荷载误差在0.89%至11.17%之间，位移误差小于6%，验证了模型的准确性和网格敏感性较低。
完整模型分析：采用四分之一空心圆截面，内边界快速升温至300°C，产生热致开裂。对比五种情况：完整整体模型、双向模型（忽略交叉耦合项）、单向模型（顺序求解，无CTR）、无CTR整体模型、无LITS整体模型。结果表明，忽略CTR会高估CMOD约20%，忽略LITS会导致承载能力显著高估且裂纹径向扩展更远。裂纹形态在所有含LITS的案例中相似，但无LITS时裂纹穿透更深。热导率云图显示，单向模型和无CTR模型中裂纹区域导热系数未下降，导致热流和温度分布失真。von Mises应力分布中，无LITS模型应力水平明显偏高。参数分析显示，提高抗拉强度增加峰值荷载并加剧软化，提高断裂能则减小CMOD。
讨论与结论：讨论部分强调双向耦合的必要性——热载荷引起开裂，而开裂区域导热系数的降低又改变温度场和应力场。该模型能捕捉这些相互作用，但仍有局限：未考虑热-湿耦合，无法模拟孔隙压力引起的剥落；仅适用于单调加载，未涉及卸载、冷却和再加热；混凝土被宏观均质化处理，未显式表征骨料与砂浆的差异。未来工作需改进LITS和CTR表达式，引入热-水-力耦合框架，开发高效算法以支持三维和大规模分析。研究结论指出，该工作的主要贡献在于将已有热-力学退化机制一致地集成到具有显式双向场相互作用的整体式有限元框架中，为混凝土热-力学开裂分析提供了实用且可复现的策略。
