混凝土動態(tài)破壞強度應(yīng)變率效應(yīng)機理研究項目摘要

本項目強調(diào)指出：在動載作用下，應(yīng)區(qū)分混凝土的材料強度（應(yīng)變率無關(guān)的材料性質(zhì)）和材料承載能力(材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，應(yīng)變率相關(guān))這兩類性質(zhì)不同的概念；進(jìn)而將動態(tài)材料響應(yīng)與動態(tài)材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)解耦，為構(gòu)建混凝土動態(tài)本構(gòu)理論和強度準(zhǔn)則提供新的物理機制?；?，首先，通過理論分析及實驗研究，驗證混凝土材料強度的應(yīng)變率無關(guān)性，而將通常所說的混凝土動態(tài)破壞強度應(yīng)變率效應(yīng)問題歸結(jié)為材料承載能力的應(yīng)變率效應(yīng)問題，即混凝土動態(tài)破壞強度的應(yīng)變率效應(yīng)只與材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)。其次，擬通過混凝土中基體/骨料界面裂紋動態(tài)擴展性質(zhì)以及應(yīng)力波在此界面處的反射、透射行為的研究，探討混凝土骨料破壞的加載率響應(yīng)行為，進(jìn)而確定混凝土動態(tài)破壞應(yīng)變率效應(yīng)的突變現(xiàn)象的物理實質(zhì)。最后，在前述兩項研究基礎(chǔ)之上，建立合理描述混凝土動態(tài)破壞應(yīng)變率效應(yīng)機理的數(shù)學(xué)表征體系。本研究結(jié)果還可為混凝土動態(tài)破壞尺度效應(yīng)及彈丸侵徹混凝土尺度效應(yīng)的研究提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

工程結(jié)構(gòu)在受到爆炸與沖擊等強動載荷作用下的響應(yīng)與其在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的響應(yīng)有明顯區(qū)別。其中一個最重要的影響因素是應(yīng)變率對材料本構(gòu)關(guān)系及強度的影響（稱為應(yīng)變率效應(yīng)）。為了準(zhǔn)確預(yù)測工程結(jié)構(gòu)在強動載荷作用下的響應(yīng)，在分析與數(shù)值模型中需要對材料的應(yīng)變率效應(yīng)加以考慮?；炷令惒牧显趬嚎s狀態(tài)下的應(yīng)變率效應(yīng)目前主要由分離式霍普金生壓桿(SHPB)實驗來確定。本研究對當(dāng)前國內(nèi)外普遍接受的混凝土類材料動態(tài)壓縮強度SHPB測量方法提出質(zhì)疑并進(jìn)行深入研究; 對混凝土類材料的動態(tài)壓縮強度測量方法提出改進(jìn); 確定材料的真實應(yīng)變率效應(yīng)及影響測量的因素; 建立正確的材料動態(tài)本構(gòu)與強度模型參數(shù)；通過對混凝土類材料動態(tài)壓縮中的真實應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行細(xì)觀尺度上的理論與數(shù)值研究, 提供其動態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)的微細(xì)觀物理機制與解釋。本研究對建立可靠的混凝土類材料動態(tài)壓縮實驗方法及正確的混凝土類材料動態(tài)本構(gòu)與強度模型有重要意義。

混凝土是建造各類建筑及設(shè)施的常用材料。這些建筑與設(shè)施在其服役期間可能承受自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭打擊或人為破壞等各類強動載荷侵襲并導(dǎo)致失效，威脅國家安全與社會穩(wěn)定。清晰理解混凝土類材料在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)行為是合理設(shè)計該類建筑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 本研究綜合應(yīng)用實驗、數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)等方法研究混凝土類材料的動態(tài)壓縮強度，主要研究內(nèi)容和科學(xué)意義總結(jié)如下 1）系統(tǒng)研究了不同厚徑比的圓柱形試件在各種端面摩擦情況下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強度變化規(guī)律。研究表明，單軸壓縮下，端面摩擦效應(yīng)會顯著影響試件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，使其從一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而提高試件抗壓強度。此強度提高系數(shù)與試件厚徑比密切相關(guān)，并隨厚徑比減小而逐漸增大。靜態(tài)強度提高因子回歸公式可綜合考慮以上兩種因素的耦合效應(yīng)，方便工程設(shè)計并為準(zhǔn)確理解混凝土類材料的動力力學(xué)性能提供參考。 2）應(yīng)用霍普金生壓桿（SHPB）系統(tǒng)，并引入波形調(diào)整技術(shù)和應(yīng)力平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)，考察了多組厚徑比、端面摩擦組合下混凝土類材料動態(tài)壓縮強度變化規(guī)律，得到了混凝土類材料在準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)壓縮強度測試中的非應(yīng)變率效應(yīng)（即結(jié)構(gòu)效應(yīng)）影響因素與機制，確定了產(chǎn)生偽應(yīng)變率效應(yīng)的條件及因素。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變率大于某臨界轉(zhuǎn)換應(yīng)變率時，結(jié)構(gòu)效應(yīng)開始起作用。此效應(yīng)由內(nèi)因與外因聯(lián)合導(dǎo)致：其內(nèi)因為材料的靜水壓力相關(guān)性（即材料的壓縮強度隨靜水壓力增大而增大，也可理解為壓縮強度隨徑向約束增大而增大）；其外因為由各種因素導(dǎo)致的徑向約束，由兩個機制引起：試件端面摩擦及試件在高應(yīng)變率加載時不可避免的慣性約束。 3）探索了基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型、理想骨料隨機分布、真實試件照片和3D CT掃描影像的混凝土類材料細(xì)觀模型建立方法和分析手段，以準(zhǔn)確反映該類材料強度和組份分布不均勻性。基于考慮損傷力學(xué)的數(shù)值模擬研究表明混凝土類材料細(xì)觀非均質(zhì)性是其產(chǎn)生宏觀壓縮應(yīng)變率效應(yīng)的一個重要因素，從微觀層面上揭示了混凝土材料宏觀性能的機制。 4）基于本項目所取得研究成果，對工程界常用的K-C混凝土模型進(jìn)行了包括應(yīng)變率效應(yīng)在內(nèi)的四個方面的修正，并成功將其應(yīng)用于彈體高速撞擊混凝土靶體的數(shù)值模擬中。為準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)動力行為和安全性評價提供了實用方法和可靠工具。 本研究對正確認(rèn)識混凝土類材料應(yīng)變率效應(yīng)的物理機制、建立正確的混凝土類材料動態(tài)性能測試方法、確定其動態(tài)強度模型及參數(shù)、準(zhǔn)確預(yù)測各類軍事與民用混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力提供了理論支撐。 2100433B

混凝土材料動態(tài)強度提高機理是強震情況下結(jié)構(gòu)安全評價重要且最為薄弱的環(huán)節(jié)，本項目針對此進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，取得下列主要成果：（1）系統(tǒng)地進(jìn)行了混凝土及其組成材料（砂漿、骨料、界面）不同應(yīng)變率抗拉、抗壓試驗研究，結(jié)合宏觀、細(xì)觀和微觀層次分析了混凝土及其組成材料力學(xué)性能的率效應(yīng)規(guī)律、機理以及相關(guān)性，建立了混凝土及其組成材料力學(xué)性能間的關(guān)聯(lián)模型；（2）系統(tǒng)地進(jìn)行了混凝土、砂漿在不同影響因素（加載速率、材料靜態(tài)強度、水灰比、含水量、齡期、養(yǎng)護(hù)條件等）情況下抗拉、抗壓強度試驗研究，并測試相應(yīng)狀況下的微觀孔結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)采用多對數(shù)正態(tài)分布模型能很好地反映各影響因素的共同作用，建立了可以考慮不同影響因素微觀結(jié)構(gòu)特征的混凝土、砂漿宏觀強度計算模型；（3）系統(tǒng)地建立了一套以微觀結(jié)構(gòu)演化為基礎(chǔ)的預(yù)測水泥基材料宏觀力學(xué)性能發(fā)展的方法；（4）基于建立的微觀結(jié)構(gòu)水泥基材料宏觀力學(xué)性能預(yù)測模型對水泥基材料的宏觀力學(xué)性能（彈性模量、抗拉強度和抗壓強度）進(jìn)行定量計算和系統(tǒng)分析；（5）基于眾多試驗研究成果建立了考慮多種影響因素（加載速率、材料靜態(tài)強度、水灰比、含水量、齡期等）水泥砂漿和混凝土動態(tài)強度（抗壓、抗拉）計算模型；（6）采用改變材料密度的數(shù)值計算方法獲得了定量慣性力效應(yīng)分析，揭示慣性效應(yīng)對材料動強度（軸拉、軸壓）影響規(guī)律；（7）揭示了混凝土動態(tài)強度由固體材料效應(yīng)（干強度 率效應(yīng)）、自由水效應(yīng)（毛細(xì)吸力 Stefan效應(yīng)）以及慣性效應(yīng)三部分組成機理，建立了考慮混凝土的干強度、固體材料的率效應(yīng)、毛細(xì)吸力、自由水的Stefan效應(yīng)以及慣性效應(yīng)建立混凝土動態(tài)強度（軸拉、軸壓）微觀結(jié)構(gòu)機理統(tǒng)一模型。成果為混凝土結(jié)構(gòu)在強動力災(zāi)變情況下材料強度確定及結(jié)構(gòu)防災(zāi)設(shè)計、評估提供了科學(xué)依據(jù)。 2100433B