水泥混凝土抗冲击性能测定方法研究

摘要

众所周知，混凝土材料是现代建筑中应用最为广泛的建筑材料之一。然而，混凝土结构在工作过程中，除了承受静荷载外，不可避免地要承受动态荷载。例如:桥梁和高层建筑要承受风荷载，水坝要承受动水压力的作用，混凝土海洋平台要承受海浪的冲击作用，飞机起飞和降落时对机场跑道的冲击作用，防护结构要承受子弹或飞机的撞击作用，以及结构要承受在地震荷载作用下的冲击作用。这些动态荷载能够造成建筑结构的损坏和倒塌，从而带来财产和生命的损失。由于这些动态荷载的不可预知性，以及破坏性，往往成为结构设计中的重要因素。而混凝土材料的冲击性能是评价混凝土动态性能的一个重要方面，因此，研究混凝土材料在冲击荷载下的抗冲击性能是非常必要的。
　　目前对混凝土材料的抗冲击性能的研究是有限的。由于缺少统一的试验标准，许多研究者采用不同的冲击试验机，不同的试件形状，不同的试件尺寸，不同的测试设备，不同的分析方法，导致许多结果缺少可比性。基于此，美国混凝土协会544(ACI544)推荐了一种落锤冲击试验方法，由于该方法简单、经济，得到广泛的应用。但从已有的文献研究表明:由于该方法本身的问题以及混凝土材料本身的非均匀性，导致试验结果的离散性很大。采用ACI544推荐方法产生数据离散性大的原因主要有:(1)采用圆饼形试件，使得裂缝的出现具有随机性，给裂缝的观测带来了难度，并且用肉眼观测第一条可见裂缝，具有主观不确定性;(2)缺少判断试件破坏的标准。为了减小数据的离散性，预先确定试件的开裂位置。本文采用自行设计的U形试件，以及自主研制的落锤冲击试验装置对混凝土材料进行了一些列的冲击试验，并对试验结果进行了综合的统计分析，主要研究内容及结论如下:
　　1.采用U形试件能够预先确定试件的开裂位置以及裂缝的发展路径，并且只沿着一条裂缝发生破坏，有利于试验过程中裂缝的观测和记录。研制的新型落锤冲击试验装置可行，并且容易操作。
　　2.对于素混凝土，为了减少人为因素造成的误差，将抗压强度值作为试件质量控制的一种手段，通过试件抗压强度值的离散性来反馈监测试件间的差异，避免由于混凝土质量不佳造成试件间差异过大。同时选用四种落锤质量，对三种龄期下素混凝土U形试件进行抗冲击试验，结果表明:落锤质量与冲击寿命之间存在对数线性关系。
　　3.鉴于冲击试验本身具有很大的离散性，分别计算了素混凝土、玄武岩纤维混凝土和钢纤维混凝土冲击寿命的离散系数;同时计算了文献中采用ACI544方法得到的冲击寿命的离散系数。结果表明:本文研制的落锤冲击试验装置能够减小数据的离散性。通过频率直方图可以看出:抗压强度符合正态分布，冲击寿命不符合正态分布。在相同纤维体积掺量的情况下，钢纤维混凝土抗冲击性能要高于玄武岩纤维混凝土。
　　4.对本文方法得到的冲击寿命，以及文献中采用ACI544方法得到的冲击寿命，分别采用最小二乘法进行线性回归分析，结果表明:初裂冲击寿命(N1)和破坏冲击寿命(N2)之间具有高度线性相关关系。
　　5.冲击的一个重要特征就是它所表现出来的概率统计特性，因而采用概率的方法研究冲击问题是一个非常重要的方面。将冲击寿命N看做一个随机变量，引入顺序统计量和秩的概念，根据平均秩法的期望估计，计算累积失效概率函数F(N）和生存概率函数R(N)的估计值，结果表明:冲击寿命既符合对数正态分布，也符合威布尔分布，且威布尔分布的拟合效果更好。利用威布尔分布建立了冲击寿命与失效概率之间的关系式，对不同失效率下的冲击寿命进行了估计，结果表明纤维混凝土的抗冲击性能可以通过威布尔分布模型进行检验和预测。
　　目前在试验工作中，主要是根据经验来确定试件数量，缺乏必要的理论依据，因而带有很大的主观随意性和盲目性。本文运用数理统计的方法，根据统计学抽样分布中的t分布理论，给出了确定最少试件数的依据和参考建议。
　　6.基于威布尔分布统计损伤模型，分别建立了素混凝土抗压强度的损伤演化方程，以及纤维混凝土冲击破坏损伤演化方程。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 混凝土材料及发展概况

1．1．1 混凝土的定义、优点及分类

1．1．2 混凝土的组分及材料特性

1．1．3 混凝土的发展

1．2 混凝土材料动态性能研究概况

1．2．1 动态性能试验研究

1．2．2 动态本构模型研究

1．2．3 动态特性试验方法与设备

1．3 常用建筑材料的冲击试验标准

1．3．1 钢材

1．3．2 木材

1．3．3 混凝土

1．4 混凝土材料冲击试验方法

1．4．1 分离式霍普金森压杆(SHPB)法

1．4．2 夏比(Charpy)摆锤冲击法

1．4．3 射弹冲击法

1．4．4 落锤冲击法

1．5 概率论与数理统计学在工程结构可靠性中的应用

1．6 本文研究的目的和主要内容

第二章 混凝土材料落锤冲击试验方法研究

2．1 落锤冲击试验方法概述

2．1．1 国外研究概况

2．1．2 国内研究概况

2．2 ACI544落锤冲击试验方法分析

2．2．1 落锤冲击试验中存在的问题

2．2．2 已有的改进措施

2．3 新型冲击试验装置的研制

2．3．1 试验装置的改进

2．3．2 试件形状、尺寸、模具

2．3．3 新型试验装置的特点

2．4 新型试验装置的试验验证

2．5 本章小结

第三章 素混凝土和纤维混凝土的落锤冲击试验

3．1 试验概况

3．1．1 试验内容

3．1．2 基准原材料和配合比

3．1．3 试件的制备和养护

3．2 素混凝土抗冲击试验

3．3 玄武岩纤维混凝土抗冲击试验

3．4 钢纤维混凝土抗冲击试验

3．5 本章小结

第四章 试验结果的统计和回归分析

4．1 描述统计量及数据的分布

4．1．1 位置的度量

4．1．2 分散程度的度量

4．1．3 分布形状的度量

4．1．4 数据分布的直方图描述

4．2 立方体抗压强度的质量控制分析

4．3 冲击寿命的离散性和数据分布分析

4．4 冲击寿命N1与N2之间的线性回归分析

4．5 算例分析

4．6 本章小结

第五章 冲击性能的分布理论研究

5．1 引言

5．2 常用的概率分布

5．2．1 正态分布

5．2．2 对数正态分布

5．2．3 威布尔分布

5．3 顺序统计量、秩及分布

5．4 冲击寿命的对数正态分布模型分析

5．4．1 相关性检验方程

5．4．2 回归结果

5．5 冲击寿命的威布尔分布模型分析

5．5．1 相关性检验方程

5．5．2 回归结果

5．5．3 不同失效率下的冲击寿命估计

5．6 算例分析

5．7 最少试件数分析

5．8 本章小结

第六章 基于威布尔分布的统计损伤分析

6．1 损伤概述

6．2 威布尔统计损伤模型分析

6．2．1 抗压强度的损伤分析

6．2．2 冲击寿命的损伤分析

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

附录