混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響研究.pdf

1、在強(qiáng)烈地震作用下，混凝土大壩的動(dòng)力反應(yīng)和破壞過(guò)程極其復(fù)雜，大壩結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是否安全、合理，不僅取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法的正確性，而且還取決于設(shè)計(jì)所采用的大壩混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，它是研究大壩抗震安全中不可缺少的重要組成部分，但迄今為止，這方面的研究進(jìn)展還很少，尤其是大體積混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響，仍存在不少基礎(chǔ)性問(wèn)題需要進(jìn)一步探索和深化研究。
　　由于混凝土具有的復(fù)雜性、導(dǎo)致很難對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性做出系統(tǒng)

2、的、完全的分析，而且受囿于理論發(fā)展和物理試驗(yàn)條件，并不能將各因素孤立出來(lái)單獨(dú)考慮其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，同時(shí)，也無(wú)法進(jìn)行大體積混凝土的力學(xué)試驗(yàn)。而數(shù)值試驗(yàn)則可以很好的規(guī)避物理試驗(yàn)中存在的問(wèn)題，滿足研究的要求，為下一步研究大體積混凝土開辟道路，基于此，開展混凝土試件的三維細(xì)觀力學(xué)的非線性動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，研究大壩混凝土損傷和開裂的演化過(guò)程和破壞機(jī)理，為探索大壩混凝土的地震反應(yīng)特性提供一條途徑。
　　本文從細(xì)觀層面，把混凝土看作是由骨料

3、、砂漿以及界面組成的三相材料，根據(jù)自行編制的程序，隨機(jī)生成混凝土骨料模型，在混凝土塑性損傷模型的基礎(chǔ)上，確立了判斷混凝土材料整體破壞失效的判斷依據(jù)。研究了動(dòng)態(tài)荷載作用下，混凝土的細(xì)觀破壞特點(diǎn)以及破壞機(jī)理，分析了影響混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的因素（應(yīng)變率、骨料特性、模型單元、材料參數(shù)）；考慮了圍壓、初始靜載對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)特性的影響；進(jìn)行了靜、動(dòng)力拉、壓荷載作用下的CT試驗(yàn)；為了進(jìn)一步使得數(shù)值試驗(yàn)與CT物理試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，基于CT圖像的CT數(shù)，重建

4、了混凝土模型；最后從智能分析方法入手，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了混凝土的動(dòng)強(qiáng)度。本文的研究工作可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：
　　(1)從混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，把混凝土簡(jiǎn)化為是由水泥砂漿、骨料及二者之間的界面組成的三相復(fù)合材料，根據(jù)混凝土實(shí)際配合比，首先計(jì)算出三級(jí)配混凝土簡(jiǎn)支梁的骨料顆粒數(shù)目，然后以蒙特卡羅法為基礎(chǔ)，編制相關(guān)的Fortran程序，生成各種試件的隨機(jī)骨料模型，采用“骨料投影網(wǎng)格法”來(lái)模擬混凝土網(wǎng)格模型
　　(2)為了確定混凝

5、土何時(shí)發(fā)生破壞，以及發(fā)生破壞時(shí)的破壞強(qiáng)度，從數(shù)值試驗(yàn)出發(fā)，討試件進(jìn)行了沖擊荷載作用下的數(shù)值試驗(yàn)。分析混凝土在沖擊荷載作用下的損傷破壞過(guò)程，結(jié)果表明利用該模型研究混凝土在沖擊荷載作用下的損傷破壞過(guò)程是合適的，以位移加載得到的荷載位移曲線的峰值點(diǎn)作為混凝土破壞強(qiáng)度點(diǎn)是合理的。
　　(3)基于提出的混凝土強(qiáng)度確定方法，研究了應(yīng)變率范圍為10-2/S到10I/s內(nèi)混凝土的破壞強(qiáng)度以及破壞形態(tài)；得到了混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與加載速率之間的關(guān)系；同

6、時(shí)，基于數(shù)值試驗(yàn)的特點(diǎn)，研究了動(dòng)壓和動(dòng)拉荷載作用下，細(xì)觀結(jié)構(gòu)中諸如骨料位置、數(shù)值試驗(yàn)單元尺寸、材料參數(shù)以及骨料粒徑對(duì)混凝土破壞強(qiáng)度的影響，得到了混凝土的動(dòng)破壞強(qiáng)度不僅受應(yīng)變率的影響，還受到其它因素諸如骨料位置及粒徑、材料參數(shù)等其它因素的影響，系統(tǒng)的、詳細(xì)的分析了各個(gè)因素影響下混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，解釋了引起混凝土動(dòng)強(qiáng)度變化的原因；從數(shù)值試驗(yàn)方面分析了混凝土在受到不同荷載類型如動(dòng)壓和動(dòng)拉荷載作用下的破壞機(jī)理。
　　(4)研究了混凝土

7、在圍壓和初始預(yù)靜載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，通過(guò)對(duì)不同圍壓作用下的混凝土受力來(lái)看，在相同的加載速率下，圍壓的不同，混凝土的強(qiáng)度和破壞位移不同，同時(shí)，圍壓對(duì)試件的破壞形態(tài)也有影響；在給定的應(yīng)變率下，施加不同初始預(yù)靜載大小，分析動(dòng)荷載作用下，預(yù)靜載水平對(duì)混凝土受力分析的影響。圍壓和預(yù)靜載的存在，都導(dǎo)致了混凝土材料內(nèi)部的應(yīng)力大小和位置不同．探索了混凝土在各種復(fù)雜荷載作用下的應(yīng)力變化和破壞強(qiáng)度之間的規(guī)律。
　　(5)采用x射線CT技術(shù)研究混凝

8、土在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓、拉荷載作用下的細(xì)觀破裂過(guò)程。通過(guò)不同的圖像分析方法，得到不同的荷載類型下CT圖像的變化特點(diǎn)，分析各自的CT數(shù)在不同受力階段的變化規(guī)律，對(duì)CT圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，從整體CT數(shù)和局部CT數(shù)入手，研究感興趣區(qū)域內(nèi)CT數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)比局部與局部CT數(shù)以及局部與整體CT數(shù)的關(guān)系，從中得到裂紋的起裂位置，分析混凝土在不同荷載類型下破壞能量和破壞面積的變化規(guī)律，最終得到混凝土拉、壓以及靜、動(dòng)的強(qiáng)度差異的根本原因。
　　(6)基

9、于已研究的混凝土隨機(jī)模型和CT重建模型，從混凝土CT掃描切片入手，根據(jù)CT數(shù)的物理含義，依據(jù)自行編制的程序，基于CT數(shù)重建了混凝土模型，模型以CT圖片為基礎(chǔ)，考慮了CT圖像中的所有信息，包括骨料的形狀、級(jí)配、孔洞等，對(duì)骨料和砂漿結(jié)合部位進(jìn)行了考慮，摒棄以前加接觸單元的方法，重建模型中在骨料和砂漿之間加了一層界面單元，并對(duì)模型進(jìn)行了動(dòng)壓、動(dòng)拉荷載作用下的力學(xué)分析，驗(yàn)證了模型的正確性及合理性。
　　(7)從智能方法入手，嘗試把智能分析