混凝土準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、混凝土是工程中最重要的結(jié)構(gòu)材料之一，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)承受著變化緩慢的準(zhǔn)靜態(tài)載荷，但是也有許多結(jié)構(gòu)承受著各種變化劇烈的動(dòng)態(tài)載荷，例如：撞擊、地震、工程爆破、列車振動(dòng)、飛機(jī)著陸、敵彈襲擊等。系統(tǒng)研究混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。動(dòng)載下混凝土的性能分析通常有兩種最基本的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)：慣性效應(yīng)(或應(yīng)力波效應(yīng))和材料的應(yīng)變率效應(yīng)。研究混凝土在各種動(dòng)態(tài)加載條件下的應(yīng)變率效應(yīng)，特別是中應(yīng)變率下的動(dòng)力學(xué)

2、響應(yīng)，對(duì)于民用和軍用結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)都具有重要的理論與工程意義。 本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，從宏觀和微觀二個(gè)方面系統(tǒng)研究了混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及一系列有關(guān)的重要問題，提出了通過不同加載波形獲得不同范圍中應(yīng)變率的新的試驗(yàn)方法。一直以來，中應(yīng)變率下混凝土材料動(dòng)力學(xué)性能的研究大多是在特定的加載波形下考慮加載速率的影響，而對(duì)于不同加載波形下混凝土材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，沒有得到足夠的重視。本文首先從

3、理論上分析了三種不同波形的動(dòng)態(tài)效果及對(duì)混凝土材料力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 1、矩形波的加載速率最大，動(dòng)態(tài)效果最好，正弦波次之，三角波最差： 2、矩形波加載條件下混凝土試樣的極限強(qiáng)度和平均應(yīng)變率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正弦波的，而正弦波加載條件下的略大于三角波的； 3、隨著加載波形的頻率和幅值增大，混凝土試樣的極限強(qiáng)度與平均應(yīng)變率也有所增加。 其次，通過混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究，獲得了加載波形對(duì)抗拉強(qiáng)度以及平均應(yīng)

4、變率的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，加載波形從三角波到正弦波再到矩形波，混凝土抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度分別為1.9％和2％，矩形波的平均應(yīng)變率則比正弦波和三角波的大1個(gè)量級(jí)，而正弦波的平均應(yīng)變率又略大于三角波的平均應(yīng)變率，可見加載波形的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律與理論推導(dǎo)的結(jié)論相一致。實(shí)驗(yàn)研究不僅驗(yàn)證了上述理論推導(dǎo)的正確性，而且還得出了其他一些重要的結(jié)論： 混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉性能與齡期和養(yǎng)護(hù)時(shí)的濕度也存在著密切的關(guān)系。 1、隨著齡期的增加，混凝土的動(dòng)

5、態(tài)抗拉強(qiáng)度也會(huì)增加。試驗(yàn)表明,齡期相隔8天的混凝土試樣的平均抗拉強(qiáng)度的增幅高達(dá)19％。 2、養(yǎng)護(hù)于較濕潤(rùn)條件下混凝土試樣的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度明顯高于一般養(yǎng)護(hù)條件下的，其增長(zhǎng)幅度為19％。在混凝土斷裂的微觀研究方面，數(shù)值模擬是困擾著人們的一大難題。眾所周知，混凝土材料的宏觀力學(xué)特性與它的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。若要從數(shù)值上模擬出混凝土材料的斷裂過程，就必須了解混凝土的微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)以及微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，特別是骨料和微裂縫的影

6、響。斷裂力學(xué)是研究宏觀層面上混凝土材料裂紋擴(kuò)展規(guī)律的有力工具，損傷力學(xué)則以微裂縫為研究對(duì)象，從微、細(xì)觀的角度來描述混凝土的損傷與斷裂。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的成果，利用混凝土斷裂力學(xué)和混凝土損傷力學(xué)的基本理論和方法，對(duì)應(yīng)用于混凝土損傷斷裂分析的各種本構(gòu)模型加以分類，并給出了相應(yīng)的分類圖。修正了文獻(xiàn)[48]給出的動(dòng)力損傷本構(gòu)模型，否定了其動(dòng)力曲線上任意點(diǎn)的應(yīng)變放大系數(shù)是一個(gè)恒定常數(shù)的基本假設(shè)，推導(dǎo)出動(dòng)力曲線上任意點(diǎn)的應(yīng)變放大系數(shù)與應(yīng)變之間滿足

7、線性關(guān)系的結(jié)論。 最后，論文基于東北大學(xué)MFPA軟件的模擬計(jì)算思路，假定混凝土的損傷服從Weibull分布，得出了混凝土的損傷演化方程，將最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則作為該損傷本構(gòu)關(guān)系的損傷閾值，應(yīng)用彈性有限元法計(jì)算混凝土材料的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，開發(fā)出針對(duì)于課題的XJQFEA有限元分析軟件。將試驗(yàn)中所測(cè)得的力學(xué)參數(shù)輸入該程序，計(jì)算模擬出混凝土試樣劈裂試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，與試驗(yàn)中所得到的荷載位移曲線相對(duì)比，兩者基本吻合。 論文所提出的混