基于SHPB的混凝土及鋼筋混凝土沖擊壓縮力學(xué)行為研究.pdf

1、混凝土及鋼筋混凝土材料是土木工程及防護(hù)工程結(jié)構(gòu)中廣泛使用的材料，設(shè)計(jì)時(shí)往往要求這些工程結(jié)構(gòu)具有抵抗沖擊、爆炸等高率載荷作用的能力?；炷潦且环N力學(xué)性能極其復(fù)雜的非均質(zhì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，由于鋼筋力學(xué)性能與混凝土差異較大，導(dǎo)致鋼筋混凝土力學(xué)性能進(jìn)一步復(fù)雜化。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土材料在高率載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能已有較多研究，而材料性能的應(yīng)變率效應(yīng)、不同載荷作用下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系及基于細(xì)觀模型的數(shù)值模擬則已成為混凝土材料研究熱點(diǎn)。以往關(guān)于鋼筋混

2、凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的大量研究中，研究對(duì)象一般是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而作為一種復(fù)合材料，鋼筋混凝土材料的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)、本構(gòu)及數(shù)值模擬的研究則存在明顯不足。本文基于霍普金森壓桿(SHPB)和3D細(xì)觀模型，對(duì)混凝土和鋼筋混凝土材料動(dòng)態(tài)沖擊壓縮力學(xué)行為分別展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)、本構(gòu)及細(xì)觀數(shù)值模擬研究。
　　首先，結(jié)合脈沖整形技術(shù)和高速攝影技術(shù)，基于中120mm的大尺寸SHPB分別進(jìn)行了素混凝土和鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中脈沖波形特征、試件破壞過(guò)程、

3、裂紋傳播、破壞模式及應(yīng)變率效應(yīng)等材料行為展開(kāi)研究。揭示并解釋了混凝土類脆性材料反射波“雙峰”現(xiàn)象和波尾“壓縮波”現(xiàn)象，而鋼筋混凝土則由于鋼筋加入，其反射波行為與素混凝土略有不同，主要表現(xiàn)為在第一峰之后隨著加載速度增大逐漸由近似恒應(yīng)變率加載轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)上升，最終在較高速度下也呈現(xiàn)出“雙峰”行為。同時(shí)，給出了混凝土和鋼筋混凝土試件SHPB實(shí)驗(yàn)中不同應(yīng)變率下波形特征與試件最終破壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系的一些經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)。通過(guò)試件破壞過(guò)程及裂紋傳播觀察，發(fā)現(xiàn)

4、混凝土及鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中裂紋快速發(fā)展滯后于峰值應(yīng)力出現(xiàn)，這是導(dǎo)致材料在損傷破壞階段仍具有持續(xù)承載能力的主要原因。相對(duì)于素混凝土，分析了鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的優(yōu)異性以及不同筋架構(gòu)形對(duì)材料的不同保護(hù)作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鋼筋混凝土破壞后殘留形態(tài)會(huì)與筋架構(gòu)形保持較好的一致性。另外，對(duì)混凝土和鋼筋混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度、能量吸收能力、最大壓縮應(yīng)變等的應(yīng)變率效應(yīng)也進(jìn)行了比較分析，為材料本構(gòu)關(guān)系的提出奠定了基礎(chǔ)。
　　之后，考慮混凝土中隨

5、機(jī)骨料、砂漿及二者之間過(guò)渡層(ITZ)，建立了混凝土3D細(xì)觀模型，并基于SHPB試驗(yàn)對(duì)該模型可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同加載條件下混凝土材料沖擊壓縮試驗(yàn)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，并結(jié)合波形特征識(shí)別了混凝土類損傷軟化材料SHPB試驗(yàn)中出現(xiàn)應(yīng)力不平衡的標(biāo)志，同時(shí)對(duì)其它應(yīng)力不平衡相關(guān)的材料行為進(jìn)行了深入探討和分析，比如試件破壞程度，動(dòng)態(tài)壓縮增強(qiáng)因子(DIF)及損傷發(fā)展等，在數(shù)值模擬分析中引入“損傷失效體積”的概念解釋了混凝土反射波“雙峰”現(xiàn)象

6、的形成機(jī)理。特別地，研究表明，隨著應(yīng)變率增大，應(yīng)力平衡失效后，混凝土試件將由材料響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)響應(yīng)。另外，還對(duì)ITZ對(duì)材料動(dòng)態(tài)行為的影響進(jìn)行了探討。進(jìn)一步，在素混凝土細(xì)觀模型的基礎(chǔ)上，考慮復(fù)雜筋架結(jié)構(gòu)及筋架與砂漿之間的粘結(jié)層，創(chuàng)建了鋼筋混凝土3D細(xì)觀模型，并基于鋼筋混凝土SHPB試驗(yàn)對(duì)該模型可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)分析了筋架與基體之間過(guò)渡層對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的重要影響。
　　最后，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)修正混凝土HJC模型的強(qiáng)度方程并借