爆炸冲击荷载作用下混凝土损伤的细观模拟

除了结构设计一般考虑的各种荷载，混凝土结构还有可能承受因为恐怖袭击、工厂意外爆炸或者煤气爆炸等因素引发的爆炸冲击荷载。研究混凝土材料在爆炸冲击荷载作用下的动力损伤特性具有非常重要的理论意义和工程实际应用价值。混凝土的材料组成使得其力学性能相当复杂。常规的基于均匀分布的连续介质的混凝土本构已经不能合理地获得混凝土在爆炸冲击荷载作用下的真实响应。而基于混凝土细观分布的力学研究目前主要限于静力分析，高速动力响应方面还刚刚起步。本研究对混凝土材料在爆炸冲击荷载作用下的高速动力响应进行细观力学分析。分析中将混凝土考虑为由粗骨料、水泥砂浆以及连接界面组成的三相集合体。本项目首先研究了小型试件在不同动力荷载作用下的动态力学性能，然后将此细观混凝土模型用于实际混凝土构件承受爆炸冲击荷载的计算分析，用于判断和预测混凝土构件在爆炸冲击荷载作用下的损伤破坏程度。该研究成果可用于对防护结构的设计提供理论依据，还可以推广到混凝土构件抗侵彻分析研究。 2100433B

除了结构设计一般考虑的各种荷载，混凝土结构还有可能承受因为恐怖袭击、工厂意外爆炸或者煤气爆炸等因素引发的爆炸冲击荷载。研究混凝土材料在爆炸冲击荷载作用下的动力损伤特性具有非常重要的理论意义和工程实际应用价值。混凝土的材料组成使得其力学性能相当复杂。常规的基于均匀分布的连续介质的混凝土本构已经不能合理地获得混凝土在爆炸冲击荷载作用下的真实响应。而基于混凝土细观分布的力学研究目前主要限于静力分析，高速动力响应方面还刚刚起步。本研究将对混凝土材料在爆炸冲击荷载作用下的高速动力响应进行细观力学分析。分析中将混凝土考虑为由粗骨料、水泥砂浆以及连接界面组成的三相集合体。经实验验证后的混凝土模型还将用于实际混凝土构件承受爆炸冲击荷载的计算分析，用于判断和预测混凝土构件在爆炸冲击荷载作用下的损伤破坏程度。该研究成果可用于对防护结构的设计提供理论依据，还可以推广到混凝土构件抗侵彻分析研究。

在混凝土细观随机结构实验观测的基础上，深入研究混凝土细观结构的组成特点，建立合理的混凝土细观结构的描述方法；在此基础上，基于固体计算力学最新发展的细观模拟方法，精细模拟混凝土细观裂缝群的产生和发展过程，研究混凝土细观应力随机重分布规律；基于多尺度理论，选取合适的状态变量作为尺度间的桥梁，从细观数值模拟结果出发求解宏观损伤随机演化规律，并与多维连续损伤模型相结合，构成多尺度随机损伤模型的完整体系；采用所建立的多尺度随机损伤模型模拟混凝土结构的全过程非线性行为，有针对性地探索尺寸效应等传统结构非线性分析难以处理的问题，为结构非线性分析与设计提供理论工具与技术支持。

混凝土的细微观结构对材料的宏观损伤演化有着显著的影响，而混凝土材料损伤的产生和发展是结构发生动力灾变的根本原因之一。本项目研究从混凝土的微-纳观结构出发，采用现代试验技术测试了混凝土微-纳观结构的力学性质。基于随机场理论，对混凝土的微-纳观试验数据进行了详细的解构和分析，提取了混凝土细观随机结构的分布和相关特性，进而为基于随机谐和函数方法进行混凝土细观断裂随机场的建模提供了控制参数取值。引入内聚单元方法对混凝土细观断裂随机场进行离散，对混凝土的细观力学行为进行了精细的数值模拟。进而基于多尺度理论，提出了多尺度能量积分，基于混凝土细观数值模拟结果得到宏观损伤演化，研究了宏观损伤演化与单元体几何尺度的依赖性，发展了数值尺寸效应的概念。最后，利用基于细观分析结果得到的多尺度损伤演化规律进行结构的宏观动力灾变模拟。特别研究了苏州中南中心等超高层结构在强震作用下的非线性行为和倒塌全过程。通过本项目研究，混凝土多尺度损伤理论已经基本成型，并且在结构分析和模拟中取得了应用。 2100433B

地震荷载作用下全级配混凝土动态开裂与扩展是混凝土坝性能评价的关键基础性工作。目前，国内外多采用数值方法对混凝土的开裂与扩展进行特定条件下的分析研究。然而，鉴于全级配混凝土具有典型的非线性特征，数值分析结果往往不能准确反映实际的开裂与扩展动态行为。从而，先进物理模型试验基础上的全级配混凝土动态开裂与扩展机理研究具有突出的重要性。本课题将全级配混凝土看成由不同级配骨料、砂浆以及界面组成的复合材料，拟采用先进的数字图像相关技术（DIC），借助先进的非接触光测实验仪器，对动载下全级配混凝土试件缝端应变场和裂纹扩展过程进行全场测量，基于得到的全场位移分布的变化过程，提取缝端位移变化规律和特点，进而构造混凝土复合材料缝端位移场分布函数，并研制适合于混凝土动态开裂与扩展的新型扩展有限元数值分析模块。预期成果能够揭示动载下混凝土开裂破坏的细观过程和物理机制，对地震荷载作用下混凝土坝性能评价提供科学依据。