为了满足我国交通运输业日益增长的需求,大量以钢筋混凝土为原材料的公路、铁路桥梁投入使用。中国地域广阔,桥梁的服役环境也不尽相同。随着混凝土桥梁应用范围的扩大,在恶劣环境下服役的混凝土桥梁越来越多。目前,关于桥梁的病害和坍塌事故屡见不鲜,我国大量桥梁面临着如何保证桥梁在设计年限范围内安全、耐久的问题。研究混凝土中钢筋锈蚀导致混凝土保护层开裂问题对结构耐久性设计和已建桥梁养护具有重大意义。混凝土作为多相材料,在一定尺度上具有非均匀结构。寻找微观结构与宏观性能的关系是材料科学和计算力学几十年来面临的一个重要问题。对于处于海洋或者恶劣环境下的桥梁结构,环境中氯离子侵蚀作用导致钢筋锈蚀。钢筋锈蚀膨胀会导致混凝土保护层开裂甚至剥落,从而引起混凝土结构耐久性退化。因此,准确评价氯离子在混凝土中的扩散过程显得尤为重要,对钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂机理也要进行长期性研究。本文针对氯离子引起的钢筋混凝土锈胀开裂问题进行耦合多尺度模拟研究。(1)为研究氯离子扩散引起钢筋混凝土混凝土锈胀开裂,首先建立起混凝土格构式模型,以此为基础实现二维空间内的骨料随机投放。然后对氯离子侵蚀、钢筋脱钝起锈机理进行论述。基于均匀化理论,建立混凝土细观三相非均质结构,研究了细观结构参数与混凝土宏观有效性能之间的关系。考虑混凝土开裂软化效应,基于氯离子扩散模型和钢筋锈蚀膨胀理论实现氯离子环境下钢筋混凝土锈胀开裂过程研究。(2)提出一种由界面转换层连接细观尺度和宏观尺度的多尺度建模方法,保证氯离子在多尺度模型中扩散的精度和效率。基于Fick定律建立起氯离子扩散多尺度模型。通过分析推导和数值模拟研究多尺度界面转换层对氯离子扩散的影响,验证了该方法的可行性。此外,建立钢筋混凝土力学多尺度模型并研究了不同补偿比对不同位置钢筋混凝土锈胀开裂的影响。(3)为模拟钢筋混凝土在氯离子环境下锈胀开裂的动态全过程和降低钢筋混凝土锈胀开裂数值计算成本,基于前面章节建立的钢筋混凝土力学多尺度模型和氯离子扩散多尺度模型,考虑混凝土中氯离子扩散的应力效应和氯离子扩散边界的更新,提出钢筋混凝土锈胀开裂和氯离子扩散的耦合分析方法。将混凝土锈胀开裂数值模拟结果与自然锈蚀实验结果对比,验证了耦合分析方法的可靠性。(4)为研究不同区域钢筋混凝土锈胀开裂,基于耦合扩散分析方法,分角区和边区混凝土设置三种钢筋直径与五种保护层厚度,数值模拟并比较分析不同钢筋直径与保护层厚度对不同区域钢筋混凝土开裂模式与裂缝宽度。