混凝土动态破坏强度应变率效应机理研究

本项目强调指出：在动载作用下，应区分混凝土的材料强度（应变率无关的材料性质）和材料承载能力(材料的结构性质，应变率相关)这两类性质不同的概念；进而将动态材料响应与动态材料结构响应解耦，为构建混凝土动态本构理论和强度准则提供新的物理机制。基此，首先，通过理论分析及实验研究，验证混凝土材料强度的应变率无关性，而将通常所说的混凝土动态破坏强度应变率效应问题归结为材料承载能力的应变率效应问题，即混凝土动态破坏强度的应变率效应只与材料的结构性质相关。其次，拟通过混凝土中基体/骨料界面裂纹动态扩展性质以及应力波在此界面处的反射、透射行为的研究，探讨混凝土骨料破坏的加载率响应行为，进而确定混凝土动态破坏应变率效应的突变现象的物理实质。最后，在前述两项研究基础之上，建立合理描述混凝土动态破坏应变率效应机理的数学表征体系。本研究结果还可为混凝土动态破坏尺度效应及弹丸侵彻混凝土尺度效应的研究提供理论基础。 2100433B

工程结构在受到爆炸与冲击等强动载荷作用下的响应与其在准静态加载下的响应有明显区别。其中一个最重要的影响因素是应变率对材料本构关系及强度的影响（称为应变率效应）。为了准确预测工程结构在强动载荷作用下的响应，在分析与数值模型中需要对材料的应变率效应加以考虑。混凝土类材料在压缩状态下的应变率效应目前主要由分离式霍普金生压杆(SHPB)实验来确定。本研究对当前国内外普遍接受的混凝土类材料动态压缩强度SHPB测量方法提出质疑并进行深入研究; 对混凝土类材料的动态压缩强度测量方法提出改进; 确定材料的真实应变率效应及影响测量的因素; 建立正确的材料动态本构与强度模型参数；通过对混凝土类材料动态压缩中的真实应变率效应进行细观尺度上的理论与数值研究, 提供其动态压缩应变率效应的微细观物理机制与解释。本研究对建立可靠的混凝土类材料动态压缩实验方法及正确的混凝土类材料动态本构与强度模型有重要意义。

混凝土是建造各类建筑及设施的常用材料。这些建筑与设施在其服役期间可能承受自然灾害、战争打击或人为破坏等各类强动载荷侵袭并导致失效，威胁国家安全与社会稳定。清晰理解混凝土类材料在高应变率下的动态力学行为是合理设计该类建筑的关键环节。 本研究综合应用实验、数值模拟、理论推导等方法研究混凝土类材料的动态压缩强度，主要研究内容和科学意义总结如下 1）系统研究了不同厚径比的圆柱形试件在各种端面摩擦情况下的准静态压缩强度变化规律。研究表明，单轴压缩下，端面摩擦效应会显著影响试件内部应力状态，使其从一维应力状态转变为复杂应力状态，进而提高试件抗压强度。此强度提高系数与试件厚径比密切相关，并随厚径比减小而逐渐增大。静态强度提高因子回归公式可综合考虑以上两种因素的耦合效应，方便工程设计并为准确理解混凝土类材料的动力力学性能提供参考。 2）应用霍普金生压杆（SHPB）系统，并引入波形调整技术和应力平衡判断标准，考察了多组厚径比、端面摩擦组合下混凝土类材料动态压缩强度变化规律，得到了混凝土类材料在准静态及动态压缩强度测试中的非应变率效应（即结构效应）影响因素与机制，确定了产生伪应变率效应的条件及因素。研究发现，当应变率大于某临界转换应变率时，结构效应开始起作用。此效应由内因与外因联合导致：其内因为材料的静水压力相关性（即材料的压缩强度随静水压力增大而增大，也可理解为压缩强度随径向约束增大而增大）；其外因为由各种因素导致的径向约束，由两个机制引起：试件端面摩擦及试件在高应变率加载时不可避免的惯性约束。 3）探索了基于数学统计模型、理想骨料随机分布、真实试件照片和3D CT扫描影像的混凝土类材料细观模型建立方法和分析手段，以准确反映该类材料强度和组份分布不均匀性。基于考虑损伤力学的数值模拟研究表明混凝土类材料细观非均质性是其产生宏观压缩应变率效应的一个重要因素，从微观层面上揭示了混凝土材料宏观性能的机制。 4）基于本项目所取得研究成果，对工程界常用的K-C混凝土模型进行了包括应变率效应在内的四个方面的修正，并成功将其应用于弹体高速撞击混凝土靶体的数值模拟中。为准确预测结构动力行为和安全性评价提供了实用方法和可靠工具。 本研究对正确认识混凝土类材料应变率效应的物理机制、建立正确的混凝土类材料动态性能测试方法、确定其动态强度模型及参数、准确预测各类军事与民用混凝土结构的抗冲击能力提供了理论支撑。 2100433B

混凝土材料动态强度提高机理是强震情况下结构安全评价重要且最为薄弱的环节，本项目针对此进行了系统地研究，取得下列主要成果：（1）系统地进行了混凝土及其组成材料（砂浆、骨料、界面）不同应变率抗拉、抗压试验研究，结合宏观、细观和微观层次分析了混凝土及其组成材料力学性能的率效应规律、机理以及相关性，建立了混凝土及其组成材料力学性能间的关联模型；（2）系统地进行了混凝土、砂浆在不同影响因素（加载速率、材料静态强度、水灰比、含水量、龄期、养护条件等）情况下抗拉、抗压强度试验研究，并测试相应状况下的微观孔结构特征，发现采用多对数正态分布模型能很好地反映各影响因素的共同作用，建立了可以考虑不同影响因素微观结构特征的混凝土、砂浆宏观强度计算模型；（3）系统地建立了一套以微观结构演化为基础的预测水泥基材料宏观力学性能发展的方法；（4）基于建立的微观结构水泥基材料宏观力学性能预测模型对水泥基材料的宏观力学性能（弹性模量、抗拉强度和抗压强度）进行定量计算和系统分析；（5）基于众多试验研究成果建立了考虑多种影响因素（加载速率、材料静态强度、水灰比、含水量、龄期等）水泥砂浆和混凝土动态强度（抗压、抗拉）计算模型；（6）采用改变材料密度的数值计算方法获得了定量惯性力效应分析，揭示惯性效应对材料动强度（轴拉、轴压）影响规律；（7）揭示了混凝土动态强度由固体材料效应（干强度 率效应）、自由水效应（毛细吸力 Stefan效应）以及惯性效应三部分组成机理，建立了考虑混凝土的干强度、固体材料的率效应、毛细吸力、自由水的Stefan效应以及惯性效应建立混凝土动态强度（轴拉、轴压）微观结构机理统一模型。成果为混凝土结构在强动力灾变情况下材料强度确定及结构防灾设计、评估提供了科学依据。 2100433B