混凝土細觀結構對其動態(tài)力學性能的影響研究.pdf

1、在強烈地震作用下，混凝土大壩的動力反應和破壞過程極其復雜，大壩結構的抗震設計是否安全、合理，不僅取決于結構設計和分析方法的正確性，而且還取決于設計所采用的大壩混凝土材料的動態(tài)力學特性，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，這方面的研究進展還很少，尤其是大體積混凝土細觀結構對其動態(tài)力學特性的影響，仍存在不少基礎性問題需要進一步探索和深化研究。
　　由于混凝土具有的復雜性、導致很難對混凝土細觀結構的力學特性做出系統

2、的、完全的分析，而且受囿于理論發(fā)展和物理試驗條件，并不能將各因素孤立出來單獨考慮其對混凝土力學性能的影響，同時，也無法進行大體積混凝土的力學試驗。而數值試驗則可以很好的規(guī)避物理試驗中存在的問題，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觀力學的非線性動態(tài)數值模擬，研究大壩混凝土損傷和開裂的演化過程和破壞機理，為探索大壩混凝土的地震反應特性提供一條途徑。
　　本文從細觀層面，把混凝土看作是由骨料

3、、砂漿以及界面組成的三相材料，根據自行編制的程序，隨機生成混凝土骨料模型，在混凝土塑性損傷模型的基礎上，確立了判斷混凝土材料整體破壞失效的判斷依據。研究了動態(tài)荷載作用下，混凝土的細觀破壞特點以及破壞機理，分析了影響混凝土動態(tài)強度的因素（應變率、骨料特性、模型單元、材料參數）；考慮了圍壓、初始靜載對混凝土動態(tài)特性的影響；進行了靜、動力拉、壓荷載作用下的CT試驗；為了進一步使得數值試驗與CT物理試驗結果具有可比性，基于CT圖像的CT數，重建

4、了混凝土模型；最后從智能分析方法入手，利用神經網絡預測了混凝土的動強度。本文的研究工作可以總結為以下幾個方面：
　　(1)從混凝土的細觀結構出發(fā)，把混凝土簡化為是由水泥砂漿、骨料及二者之間的界面組成的三相復合材料，根據混凝土實際配合比，首先計算出三級配混凝土簡支梁的骨料顆粒數目，然后以蒙特卡羅法為基礎，編制相關的Fortran程序，生成各種試件的隨機骨料模型，采用“骨料投影網格法”來模擬混凝土網格模型
　　(2)為了確定混凝

5、土何時發(fā)生破壞，以及發(fā)生破壞時的破壞強度，從數值試驗出發(fā)，討試件進行了沖擊荷載作用下的數值試驗。分析混凝土在沖擊荷載作用下的損傷破壞過程，結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程是合適的，以位移加載得到的荷載位移曲線的峰值點作為混凝土破壞強度點是合理的。
　　(3)基于提出的混凝土強度確定方法，研究了應變率范圍為10-2/S到10I/s內混凝土的破壞強度以及破壞形態(tài)；得到了混凝土的動態(tài)強度與加載速率之間的關系；同

6、時，基于數值試驗的特點，研究了動壓和動拉荷載作用下，細觀結構中諸如骨料位置、數值試驗單元尺寸、材料參數以及骨料粒徑對混凝土破壞強度的影響，得到了混凝土的動破壞強度不僅受應變率的影響，還受到其它因素諸如骨料位置及粒徑、材料參數等其它因素的影響，系統的、詳細的分析了各個因素影響下混凝土的動態(tài)力學特性，解釋了引起混凝土動強度變化的原因；從數值試驗方面分析了混凝土在受到不同荷載類型如動壓和動拉荷載作用下的破壞機理。
　　(4)研究了混凝土

7、在圍壓和初始預靜載作用下的動態(tài)力學特性，通過對不同圍壓作用下的混凝土受力來看，在相同的加載速率下，圍壓的不同，混凝土的強度和破壞位移不同，同時，圍壓對試件的破壞形態(tài)也有影響；在給定的應變率下，施加不同初始預靜載大小，分析動荷載作用下，預靜載水平對混凝土受力分析的影響。圍壓和預靜載的存在，都導致了混凝土材料內部的應力大小和位置不同．探索了混凝土在各種復雜荷載作用下的應力變化和破壞強度之間的規(guī)律。
　　(5)采用x射線CT技術研究混凝

8、土在靜態(tài)和動態(tài)壓、拉荷載作用下的細觀破裂過程。通過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，分析各自的CT數在不同受力階段的變化規(guī)律，對CT圖像進行區(qū)域劃分，從整體CT數和局部CT數入手，研究感興趣區(qū)域內CT數的變化規(guī)律，對比局部與局部CT數以及局部與整體CT數的關系，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、動的強度差異的根本原因。
　　(6)基

9、于已研究的混凝土隨機模型和CT重建模型，從混凝土CT掃描切片入手，根據CT數的物理含義，依據自行編制的程序，基于CT數重建了混凝土模型，模型以CT圖片為基礎，考慮了CT圖像中的所有信息，包括骨料的形狀、級配、孔洞等，對骨料和砂漿結合部位進行了考慮，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，并對模型進行了動壓、動拉荷載作用下的力學分析，驗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