界面相厚度不同混凝土准静态、动态力学性能数值模拟

摘要

混凝土凭借原材料来源普遍、品质要求低、价格廉价、具有良好耐久性和可操作性等优点，在实际工程中具有广泛的应用。准静态荷载和动荷载下力学性能是有效评估混凝土结构工作性能和安全性能的前提，了解混凝土在准静态、动载荷作用下力学性能及破坏过程是很有必要的。本文将混凝土看作由粗骨料、界面相(ITZ)和水泥砂浆组成三相复合材料，在试验研究基础上，利用ANSYS/LS-DYNA软件构建二维平面模型，对混凝土准静态、动态力学性能进行模拟分析，研究内容如下:
　　(1)利用YS-2000微机伺服岩石三轴材料试验机和Φ74mm直锥变截面SHPB试验装置对混凝土、水泥砂浆材料进行准静态单轴压缩和动态冲击破坏实验，实验结果表明:①混凝土和水泥砂浆在准静态下应力-应变曲线由4个不同阶段组成;②随着冲击速度增大，混凝土、水泥砂浆峰值应力在不断增大，因此混凝土和水泥砂浆是率敏感材料。
　　(2)借助ANSYS中的APDL语言，编写含界面相圆形粗骨料二维混凝土随机分布程序。根据富勒级配曲线和瓦拉文平面转化公式，建立二维随机骨料模型，对混凝土试件尺寸、界面相厚度、体积百分比和粒径大小及分布不同混凝土准静态压缩和动态冲击力学性能进行数值模拟。
　　1)混凝土准静态压缩数值模拟表明:①与普通混凝土一样，含界面相混凝土具有明显尺寸效应;②控制界面相厚度和粗骨料粒径一定，当体积百分比为40％时呈现最大值;③粗骨料最小粒径为5mm时，控制界面相厚度、体积百分比一定粗骨料最大粒径持续增加，混凝土粒径增大到20mm时抗压强度出现最值;④控制圆形粗骨料粒径范围、体积百分比、试件尺寸不变，界面相厚度持续增加，混凝土抗压强度表现出下降趋势。
　　2)混凝土动态冲击破坏数值模拟表明:①控制界面相厚度、体积百分比和粗骨料最小粒径一定，随着最大粒径增大，混凝土承载能力表现出先上升后下降趋势;②控制粗骨料粒径大小、界面相厚度和试件尺寸一定，粗骨料体积百分比持续增加，混凝土承载能力趋势图为先上升后下降;③控制粗骨料粒径大小、体积百分比和界面相厚度一定，随试件尺寸的增大，混凝土承载能力持续下降趋势，表现出明显尺寸效应;④控制试件尺寸、体积百分比和粒径大小一定，随着界面相厚度持续增加，混凝土承载能力表现出不断下降趋势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 混凝土准静态、动态力学性能研究现状

1．2．1 常用混凝土细观模型

1．2．2 混凝土准静态力学性能研究现状

1．2．3 混凝土动态力学性能研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 二维圆形随机骨料有限元模型建立

2．1 粗骨料级配理论及其颗粒数目计算

2．1．1 粗骨料级配理论

2．1．2 混凝土粗骨料粒径分布

2．1．3 平面模型内粗骨料投放数目的计算

2．2 含界面相圆形粗骨料投放程序

2．3 建立圆形粗骨料随机分布模型

2．3．1 前处理

2．3．2 加载、求解

2．3．3 混凝土材料模型

2．3．4 后处理

2．4 本章小结

第三章 混凝土准静态、动态力学性能实验

3．1 模型原材料及配合比

3．1．1 原材料

3．1．2 配合比

3．2 准静态单轴压缩实验

3．2．1 实验过程

3．2．2 实验结果

3．2．3 准静态数值模拟验证

3．3 动态冲击破坏实验

3．3．1 SHPB杆试验技术

3．3．2 实验原理

3．3．3 实验结果及分析

3．3．4 动态数值模拟验证

3．4 本章小结

第四章 混凝土准静态压缩力学性能数值模拟

4．1 混凝土准静态压缩破坏模式

4．2 混凝土准静态压缩破坏力学性能有限元模拟

4．2．1 粗骨料不同粒径与混凝土抗压强度的关系

4．2．2 粗骨料体积百分比与混凝土抗压强度的关系

4．2．3 试件尺寸不同与混凝土抗压强度的关系

4．3 界面相厚度不同与混凝土抗压强度的关系

4．3．1 不同界面相厚度对混凝土抗压强度影响

4．3．2 界面相厚度不同与混凝土抗压强度换算关系

4．4 本章小结

第五章 混凝土动态冲击破坏力学性能数值模拟

5．1 混凝土动态冲击破坏模式

5．2 混凝土动态冲击破坏力学性能有限元模拟

5．2．1 粗骨料不同粒径与混凝土承载能力的关系

5．2．2 粗骨料体积百分比与混凝土承载能力的关系

5．2．3 试件尺寸不同与混凝土承载能力的关系

5．3 界面相厚度与混凝土承载能力的关系

5．3．1 不同界面相厚度对混凝土承载能力影响

5．3．2 界面相厚度不同与混凝土承载能力换算关系

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果

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