考慮細(xì)觀結(jié)構(gòu)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(guān)注的熱點問題，對該問題的正確認(rèn)識直接影響混凝土結(jié)構(gòu)工程動力設(shè)計的安全度。目前的動態(tài)試驗成果很多，但由于試驗設(shè)備、方法、試樣種類以及加載的速率與方式不同，導(dǎo)致測試結(jié)果離散性很大，在混凝土動態(tài)力學(xué)特性的機理研究上難以達成明確的共識。
　　混凝土在細(xì)觀層次上由骨料、砂漿、界面及初始缺陷組成，各細(xì)觀組分對其宏觀力學(xué)性能均有直接的影響。釆用宏觀與細(xì)觀相結(jié)合的研究方法，可以在物理機制上給予

2、混凝土宏觀力學(xué)行為以合理的解釋。鑒于此，本文基于材料細(xì)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(xué)特性展開研究，逐步細(xì)化和深化對混凝土材料動強度應(yīng)變率效應(yīng)的認(rèn)識。
　　本文的研究工作可以總結(jié)為以下幾個方面：
　　(1)對混凝土類材料動強度應(yīng)變率效應(yīng)的成因進行篩選，將混凝土材料動強度應(yīng)變率效應(yīng)的成因歸結(jié)到材料的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)變率相關(guān)。靜態(tài)加載時，應(yīng)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(yīng)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(guān)原理。以該理論為基礎(chǔ)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(yīng)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(xué)性質(zhì)的影響，揭示了骨料率及級配對其力學(xué)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(yīng)力應(yīng)變曲線和破裂能量的演化規(guī)律。結(jié)果

5、表明，混凝土骨料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度對混凝土力學(xué)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(yīng)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(yīng)在不同應(yīng)變率范圍所占比重不同兩方面對動強度應(yīng)變率效應(yīng)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(guān)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(xì)觀結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xué)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(jié)果，揭示了細(xì)觀結(jié)構(gòu)性對混凝土動態(tài)力學(xué)特性的影響機制，進一步探討了不均勻性和慣性效應(yīng)之間的