考慮細觀結構的混凝土材料動強度提高機理研究.pdf

1、混凝土材料的強度動力特性是一由來已久而又持續(xù)受到廣泛關注的熱點問題，對該問題的正確認識直接影響混凝土結構工程動力設計的安全度。目前的動態(tài)試驗成果很多，但由于試驗設備、方法、試樣種類以及加載的速率與方式不同，導致測試結果離散性很大，在混凝土動態(tài)力學特性的機理研究上難以達成明確的共識。
　　混凝土在細觀層次上由骨料、砂漿、界面及初始缺陷組成，各細觀組分對其宏觀力學性能均有直接的影響。釆用宏觀與細觀相結合的研究方法，可以在物理機制上給予

2、混凝土宏觀力學行為以合理的解釋。鑒于此，本文基于材料細觀物理特征，通過理論分析、離散元數(shù)值試驗、有限元數(shù)值模擬以及物理試驗驗證，分別對混凝土材料的動態(tài)力學特性展開研究，逐步細化和深化對混凝土材料動強度應變率效應的認識。
　　本文的研究工作可以總結為以下幾個方面：
　　(1)對混凝土類材料動強度應變率效應的成因進行篩選，將混凝土材料動強度應變率效應的成因歸結到材料的結構特性和動態(tài)加載特性兩個方面，指出材料的不均勻性和慣性力的聯(lián)

3、合作用是導致混凝土類材料靜、動強度差異的根源。
　　(2)從混凝土類材料的靜、動破壞形態(tài)差異入手，提出混凝土破壞時裂紋發(fā)展遵循的能量原理，即裂紋的破壞路徑與加載應變率相關。靜態(tài)加載時，應變能的釋放速度較慢，裂紋沿著材料的薄弱面向前發(fā)展，裂紋開裂遵循最小耗能原理；而動態(tài)加載時，應變能需要在瞬間得到釋放，裂紋沿著能量釋放最快路徑向前發(fā)展，裂紋開裂遵循能量釋放率相關原理。以該理論為基礎建立了混凝土類脆性材料靜、動強度解橋表達式，解析分析

4、了砂漿與骨料不同強度比值時混凝土動強度解析表達式的內(nèi)涵及其對應的裂紋發(fā)展路徑。
　　(3)研究了級配和骨料率對混凝土物理力學性質(zhì)的影響，揭示了骨料率及級配對其力學行為的影響機制。在顆粒流數(shù)值平臺上建立了不同骨料率（50％，60%，70%，80%)和不同級配（一級配、二級配、三級配、四級配）的混凝土數(shù)值試樣，進行了具有骨料破裂功能的混凝土靜態(tài)單軸壓縮數(shù)值試驗，分析了材料的破裂形態(tài)、裂紋擴展過程、應力應變曲線和破裂能量的演化規(guī)律。結果

5、表明，混凝土骨料結構穩(wěn)定程度對混凝土力學行為影響顯著，同時驗證了靜態(tài)裂紋沿著材料的薄弱面向前發(fā)展的最小耗能原理。
　　(4)基于三維隨機骨料模型，研究了不同加載速率下混凝土三分點彎梁的靜、動態(tài)破壞極限荷載以及破壞形態(tài)，考慮了各組分材料強度對動力提高因子的影響，并初步探討了慣性力在不同應變率階段發(fā)揮的作用。從混凝土自身的不均勻性和慣性力效應在不同應變率范圍所占比重不同兩方面對動強度應變率效應進行了研究，通過數(shù)值試驗驗證了混凝土動態(tài)破

6、壞能量釋放率相關原理。
　　(5)基于CT掃描圖像各分辨單元的CT數(shù)，建立了能夠反映混凝土真實細觀結構的數(shù)值重建模型(包括骨料、砂漿、界面及初始缺陷）。對數(shù)值重建模型進行了不同加載應變率的動態(tài)單軸壓縮和單軸拉伸試驗，研究初始缺陷對混凝土動態(tài)力學特性的影響。類似地，還進行了無缺陷混凝土數(shù)值模型和均質(zhì)砂漿模型的動態(tài)加載試驗，對比分析三類試樣的試驗結果，揭示了細觀結構性對混凝土動態(tài)力學特性的影響機制，進一步探討了不均勻性和慣性效應之間的