钢纤维高强混凝土动态力学性质的研究

摘要

钢纤维增强混凝土(SFRC)是由细骨料、粗骨料、乱向分布的钢纤维和水泥浆所组成。目前已经成为一种重要的工程建筑材料，广泛应用于房屋、桥梁、管道和核反应堆防护建筑中。在混凝土凝固过程中，钢纤维可以有效减少裂纹数量，并细化裂纹。在载荷作用过程中，钢纤维具有桥联阻裂作用，推迟并抑制裂纹的起裂和扩展。因此，同普通素混凝土相比，SFRC具有优异的静力和动力特性。 本文首先对国内外对混凝土动态力学行为和率相关本构的研究进行了综述。由于混凝土高应变率实验技术的困难，目前对于混凝土动态力学行为的描述存在较大的争议。霍普金森杆(SHPB)装置是目前用于材料高应变率实验的较可靠设备之一。文章对混凝土SHPB实验的研究进展也进行了总结。 本文的重点之一是对钢纤维高强混凝土率相关力学行为进行研究。对C60、C80、C100三种强度等级，钢纤维体积含量分别为0％、2％、4％和6％的钢纤维高强混凝土进行了准静态、准动态和冲击共五个应变率的单轴压缩实验。在SHPB实验过程中充分考虑了入射波形、应变率范围、新实验技术、数据处理方法、端面摩擦及试样惯性效应等影响因素，保证实验精度达到要求。在此基础上，从主要力学参数(抗压强度、峰值应变、韧度、弹性模量等)的应变率效应，混凝土动态增强机理，钢纤维的增强增韧机理三方面对实验结果进行了全面的分析。建立了各系列混凝土单轴压缩下的动态强度增长因数(DIF)、动态应变增长因数(DEIF)、动态韧度增长因数(DRIF)、初始弹性模量与应变率之间的函数关系。讨论了应变率对混凝土的泊松比和试样破坏形态的影响。从断裂力学裂纹扩展和相互作用，不同应变率下损伤演化方式两个方面对混凝土动态增强机理进行了详细分析。利用实验及相关分析结果，结合混凝土几种常用率型本构优缺点，用ZWT方程给出了钢纤维高强混凝土的单轴率型本构关系，与实验结果较吻合。并对ZWT方程用于混凝土率型本构的优点、参数拟合方法、损伤演化的影响进行了讨论。 本文的另一个重点是研究混凝土SHPB实验中采用的几种新实验技术。包括：1)混凝土动静力学行为测量的应变直测技术及与传统方法的结合。讨论了电阻应变计的频率响应和试样均匀性对高应变率实验的影响。在准静态实验中提出了一个基于应变直测技术的实验测量误差的修正方法。在SHPB实验中利用应变直测技术得到混凝土应力——应变曲线的初始上升段，利用传统方法得到后继加载段及卸载段，充分利用两种方法的优点，提高了实验精度。2)混凝土SHPB实验中的PVDF应力计的应力直测技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验，分析了应力集中、横向泊松效应和摩擦效应、热效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。同时和应变计直测应变技术相结合得到混凝土的动态应力——应变关系。3)混凝土SHPB实验中的波分离技术。将波分离技术运用于混凝土SHPB实验，解决大尺寸压杆产生的波形弥散，比较了该方法与传统方法得到应力——应变曲线，并对实验误差进行了讨论。 最后，对用于混凝土实验的大尺寸SHPB装置进行了有限元分析。讨论了大尺寸压杆引起的应力波波形弥散，不同形状的端面入射波对实验精度的影响，应变直测法的实验精度，试样几何缺陷对实验精度的影响。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章绪论

第二章钢纤维高强混凝土实验

第三章钢纤维高强混凝土实验分析

第四章混凝土的率型本构

第五章混凝土SHPB实验新技术的研究

第六章大尺寸SHPB实验技术的数值模拟

第七章全文工作的总结和展望

攻读博士学位期间发表的论文