混凝土動態(tài)破壞過程的細觀數(shù)值方法研究.pdf

1、宏觀層次上混凝土屬于各向同性材料，但在細觀層次上，可視為由粗骨料、砂漿以及二者界面組成的三相非均質復合材料。試驗研究表明，混凝土是一種典型的率敏感材料，不同應變率水平下存在不同的強度增長機制。本文從混凝土細觀結構出發(fā)，提出了適用于混凝土動態(tài)受力分析的細觀剛體彈簧元（Rigid Body Spring Model，RBSM）方法。通過建立混凝土細觀各相組成材料的粘彈粘塑性損傷本構模型，充分考慮Stefan效應在中低應變率水平下對混凝土力學

2、性能的影響規(guī)律，模擬了混凝土的動態(tài)強度增長規(guī)律。具體的研究內容及結論如下:
　　(1)從隨機骨料模型的生成、細觀剛體單元的劃分、剛體彈簧元模型的建立、彈簧單元的本構模型等四個方面，系統(tǒng)總結了細觀剛體彈簧元的理論框架;整理分析了現(xiàn)有主要的細觀力學模型類型;簡要評述了近幾年國內外的研究進展和主要理論成果。
　　(2)研究、評述了學術界對混凝土動態(tài)力學性能的理論分析，認為混凝土的率敏感性為材料的固有性質，主要由混凝土中自由水的粘性

3、以及材料的慣性效應引起。建立考慮混凝土率敏感性的粘彈粘塑性損傷本構模型，應用細觀剛體彈簧元方法模擬了混凝土材料的率效應及破壞形態(tài)，并確定了模型參數(shù)取值。
　　(3)應用本文建立的粘彈粘塑性損傷本構模型，開展了10-5/s～10-1/s五個數(shù)量級的加載速率下混凝土試件的單軸抗拉、單軸抗壓動態(tài)加載試驗的數(shù)值模擬分析，并討論了主要模型參數(shù)對混凝土動態(tài)力學性能的影響規(guī)律。數(shù)值計算結果表明，混凝土的單軸強度隨應變率的增大而提高，且在單軸抗拉

4、中表現(xiàn)更為顯著。與現(xiàn)有的混凝土靜、動態(tài)強度試驗數(shù)據及數(shù)值模擬結果比較表明，該模型能夠較好地反映混凝土強度隨應變率的變化規(guī)律，較好地模擬了混凝土動態(tài)加載下的破壞形態(tài)。
　　(4)采用細觀剛體彈簧元方法，應用粘彈粘塑性損傷本構模型，模擬了混凝土試件的動態(tài)劈裂加載試驗。本文以10-5/s～10-1/s五個數(shù)量級的加載速率模擬地震荷載作用下混凝土的劈裂強度隨加載速率的影響規(guī)律，同時研究了不同試件尺寸、不同墊片寬度對混凝土動態(tài)劈裂強度的影響

5、。數(shù)值模擬結果表明，混凝土的動態(tài)劈裂強度隨應變率增加而提高，隨試件尺寸增大而減小，隨墊條寬度增大而增大。
　　(5)建立的混凝土動態(tài)本構模型在單軸受力狀態(tài)下顯示出良好的模擬效果，數(shù)值結果證明，該模型對于雙軸受力狀態(tài)仍然適用。本文開展了四種不同恒定側拉力作用時混凝土的動態(tài)雙軸拉壓數(shù)值模擬分析，數(shù)值結果表明:雙軸拉壓加載下混凝土的抗壓強度隨應變率的增大而提高，隨側拉力的增加而降低。分析了不同側拉力下混凝土的破壞機理，認為隨著側拉力的不