基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究

摘要

混凝土及钢筋混凝土材料是土木工程及防护工程结构中广泛使用的材料，设计时往往要求这些工程结构具有抵抗冲击、爆炸等高率载荷作用的能力。混凝土是一种力学性能极其复杂的非均质颗粒增强复合材料，由于钢筋力学性能与混凝土差异较大，导致钢筋混凝土力学性能进一步复杂化。目前，国内外对混凝土材料在高率载荷作用下的动态力学性能已有较多研究，而材料性能的应变率效应、不同载荷作用下的动态本构关系及基于细观模型的数值模拟则已成为混凝土材料研究热点。以往关于钢筋混凝土动态力学性能的大量研究中，研究对象一般是钢筋混凝土结构，而作为一种复合材料，钢筋混凝土材料的动态实验、本构及数值模拟的研究则存在明显不足。本文基于霍普金森压杆(SHPB)和3D细观模型，对混凝土和钢筋混凝土材料动态冲击压缩力学行为分别展开了实验、本构及细观数值模拟研究。
　　首先，结合脉冲整形技术和高速摄影技术，基于中120mm的大尺寸SHPB分别进行了素混凝土和钢筋混凝土动态冲击压缩实验，对试验中脉冲波形特征、试件破坏过程、裂纹传播、破坏模式及应变率效应等材料行为展开研究。揭示并解释了混凝土类脆性材料反射波“双峰”现象和波尾“压缩波”现象，而钢筋混凝土则由于钢筋加入，其反射波行为与素混凝土略有不同，主要表现为在第一峰之后随着加载速度增大逐渐由近似恒应变率加载转变为持续上升，最终在较高速度下也呈现出“双峰”行为。同时，给出了混凝土和钢筋混凝土试件SHPB实验中不同应变率下波形特征与试件最终破坏状态对应关系的一些经验性认识。通过试件破坏过程及裂纹传播观察，发现混凝土及钢筋混凝土动态加载过程中裂纹快速发展滞后于峰值应力出现，这是导致材料在损伤破坏阶段仍具有持续承载能力的主要原因。相对于素混凝土，分析了钢筋混凝土动态力学性能的优异性以及不同筋架构形对材料的不同保护作用，实验结果表明钢筋混凝土破坏后残留形态会与筋架构形保持较好的一致性。另外，对混凝土和钢筋混凝土的动态压缩强度、能量吸收能力、最大压缩应变等的应变率效应也进行了比较分析，为材料本构关系的提出奠定了基础。
　　之后，考虑混凝土中随机骨料、砂浆及二者之间过渡层(ITZ)，建立了混凝土3D细观模型，并基于SHPB试验对该模型可靠性进行了验证。在此基础上，开展了不同加载条件下混凝土材料冲击压缩试验数值模拟预测，并结合波形特征识别了混凝土类损伤软化材料SHPB试验中出现应力不平衡的标志，同时对其它应力不平衡相关的材料行为进行了深入探讨和分析，比如试件破坏程度，动态压缩增强因子(DIF)及损伤发展等，在数值模拟分析中引入“损伤失效体积”的概念解释了混凝土反射波“双峰”现象的形成机理。特别地，研究表明，随着应变率增大，应力平衡失效后，混凝土试件将由材料响应转变为结构响应。另外，还对ITZ对材料动态行为的影响进行了探讨。进一步，在素混凝土细观模型的基础上，考虑复杂筋架结构及筋架与砂浆之间的粘结层，创建了钢筋混凝土3D细观模型，并基于钢筋混凝土SHPB试验对该模型可靠性进行了验证，同时分析了筋架与基体之间过渡层对材料动态力学行为的重要影响。
　　最后，在实验基础上，通过修正混凝土HJC模型的强度方程并借鉴Johnson-Cook模型中对金属材料应变硬化行为的描述，提出了能较好描述混凝土冲击压缩加载过程中塑性加载段和峰后分段软化行为的损伤软化模型(CDS模型)。进一步，在混凝土CDS模型基础上，考虑配筋率及钢筋弱界面损伤的影响，提出了能较好描述钢筋对材料峰值强度轻微削弱作用及对峰后材料行为增强作用的RCDS模型，并对不同配筋率和应变率下的钢筋混凝土动态σ-ε曲线进行了可靠预测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 混凝土类材料冲击加载行为实验研究现状

1．2．1 混凝土类材料冲击加载实验

1．2．2 混凝土SHPB实验

1．2．3 钢筋混凝土冲击加载行为实验研究现状

1．3 混凝土类材料动态本构关系研究现状

1．3．1 混凝土类材料常用模型

1．3．2 钢筋混凝土本构模型研究现状

1．4 混凝土类材料数值模拟研究现状

1．4．1 混凝土细观数值模拟研究

1．4．2 混凝土类材料SHPB实验研究相关问题探讨

1．4．3 钢筋混凝土数值模拟研究现状

第2章 基于SHPB的混凝土冲击压缩行为实验研究

2．1 引言

2．2 混凝土试件SHPB试验设置

2．2．1 SHPB试验系统

2．2．2 混凝土试件

2．2．3 脉冲整形技术

2．2．4 高速摄影技术

2．2．5 子弹长度的选取

2．3 混凝土试件典型破坏形态及应力平衡校验

2．3．1 四种典型破坏状态

2．3．2 应力平衡校验

2．4 不同应变率下的波形特征分析

2．4．1 混凝土试件“轻微龟裂”

2．4．2 混凝土试件“破裂”

2．4．3 混凝土试件“破碎”

2．4．4 混凝土试件“粉碎”

2．5 关于波形特征的相关讨论

2．5．1 反射波“双峰”现象

2．5．2 反射波尾“压缩波”现象

2．5．3 透射波“峰后内凹下降”行为

2．5．4 波形特征相关的混凝土承载能力分析

2．5．5 混凝土的应变率效应

2．6 本章小结

第3章 基于SHPB的钢筋混凝土冲击压缩行为实验研究

3．1 引言

3．2 钢筋混凝土试件SHPB实验设置

3．3 (Φ)形钢筋混凝土试件SHPB实验结果及分析

3．3．1 试件破坏形态

3．3．2 应力平衡校验

3．3．3 波形特征及相关力学行为分析

3．3．4 (Φ)形钢筋混凝土试件动态冲击压缩变形分析

3．4 #形钢筋混凝土试件SHPB实验结果及分析

3．4．1 试件破坏形态

3．4．2 应力平衡校验

3．4．3 波形特征分析

3．4．4 #形钢筋混凝土试件动态冲击压缩变形分析

3．5 σ-ε曲线及应变率效应分析

3．5．1 不同加载条件下的σ-ε曲线分析

3．5．2 相近撞击速度下的σ-ε曲线分析

3．5．3 动态压缩强度

3．5．4 能量吸收能力

3．5．5 最大压缩应变的应变率效应

3．6 本章小结

第4章 混凝土3D细观建模及SHPB试验数值模拟

4．1 引言

4．2 混凝土试件3D细观建模

4．2．1 骨料尺寸及其分布

4．2．2 混凝土试件3D细观几何模型

4．2．3 混凝土试件3D细观有限元模型的创建

4．3 材料本构模型

4．3．1 HJC本构模型

4．3．2 HJC本构模型参数

4．3．3 单元侵蚀技术

4．4 模型验证

4．4．1 SHPB数值模型

4．4．2 脉冲波形对比

4．4．3 波形特征点处试件变形对比

4．5 不同应变率下混凝土试件破坏模式分析

4．5．1 “轻微龟裂”破坏模式分析

4．5．2 “破裂”破坏模式分析

4．5．3 “破碎”破坏模式分析

4．5．4 “粉碎”破坏模式分析

4．6 本章小结

第5章 混凝土材料冲击压缩行为数值模拟研究

5．1 引言

5．2 数值模型及材料模型

5．3 不同应变率下的破坏形态和波形特征

5．3．1 “轻微龟裂”

5．3．2 “破裂”

5．3．3 “破碎”

5．3．4 “粉碎”

5．3．5 更高应变率下的“粉碎”

5．3．6 不同应变率下波形比较分析

5．4 波形特征相关问题的探讨

5．4．1 应力平衡失效标志及相关材料行为

5．4．2 损伤相关的波形特征变化分析

5．4．3 反射波波尾“压缩波”现象分析

5．4．4 波形特征对材料性能的表征

5．5 结论

第6章 钢筋混凝土3D细观建模及模型验证

6．1 引言

6．2 钢筋混凝土细观建模

6．2．1 细观几何模型创建流程

6．2．2 筋架结构几何模型创建

6．2．3 骨料投放

6．2．4 有限元模型

6．2．5 ITZ创建方法比较

6．3 模型验证

6．3．1 SHPB试验数值模型和材料模型

6．3．2 预测结果与实验结果对比

6．4 钢筋混凝土试件变形过程分析

6．5 钢筋界面效应分析

6．6 本章小结

第7章 混凝土及钢筋混凝土冲击压缩本构关系研究

7．1 引言

7．2 混凝土冲击压缩本构关系

7．2．1 混凝土冲击压缩损伤-软化本构关系的提出

7．2．2 混凝土冲击压缩损伤-软化本构关系验证

7．3 钢筋混凝土冲击压缩本构关系

7．3．2 钢筋混凝土冲击压缩损伤-软化本构关系的提出

7．3．3 钢筋混凝土冲击压缩损伤-软化本构关系验证

7．3．4 钢筋混凝土冲击压缩损伤-软化本构模型预测结果

7．4 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 全文总结

8．2 创新点

8．3 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果