動荷載作用下全級配混凝土細觀開裂機理研究

《動荷載作用下全級配混凝土細觀開裂機理研究》是依託河海大學，由孫立國擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：動荷載作用下全級配混凝土細觀開裂機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孫立國
• 依託單位：河海大學

項目摘要

地震荷載作用下全級配混凝土動態開裂與擴展是混凝土壩性能評價的關鍵基礎性工作。目前，國內外多採用數值方法對混凝土的開裂與擴展進行特定條件下的分析研究。然而，鑒於全級配混凝土具有典型的非線性特徵，數值分析結果往往不能準確反映實際的開裂與擴展動態行為。從而，先進物理模型試驗基礎上的全級配混凝土動態開裂與擴展機理研究具有突出的重要性。本課題將全級配混凝土看成由不同級配骨料、砂漿以及界面組成的複合材料，擬採用先進的數字圖像相關技術（DIC），藉助先進的非接觸光測實驗儀器，對動載下全級配混凝土試件縫端應變場和裂紋擴展過程進行全場測量，基於得到的全場位移分布的變化過程，提取縫端位移變化規律和特點，進而構造混凝土複合材料縫端位移場分布函式，並研製適合於混凝土動態開裂與擴展的新型擴展有限元數值分析模組。預期成果能夠揭示動載下混凝土開裂破壞的細觀過程和物理機制，對地震荷載作用下混凝土壩性能評價提供科學依據。

結題摘要

本項目針對大體積混凝土的靜、動態特性和破壞機理開展了系列研究，運用數值模擬、試驗相結合的手段，在以下方面取得了系列成果： 為了研究地震、風和波浪等低周往復荷載對混凝土力學性能的影響，本項目在研究過程中發明了一種能夠施加往復動荷載的緊湊拉壓載入裝置，該試驗裝置可實現對混凝土試件施加往復劈拉荷載。澆築了450×450×200mm的混凝土大試件，並進行往復劈拉試驗，用數字圖像相關技術和傳統電測方法相結合的手段對動態試驗過程進行量測，結果表明往復荷載對界面的影響要遠大於骨料和砂漿。在對地震等往復荷載作用下混凝土進行數值模擬時，界面強度應該作為一個隨時間退化的函式。基於試驗結果，考慮弱不連續（骨料和砂漿粘結）和強不連續（裂縫）耦合作用時，縫端附近局部位移場的分布，建立了含多相材料的裂尖單元開裂準則；通過自研軟體2D-RAS生成數值混凝土試件，根據混凝土模型中骨料、界面和砂漿的圖像像素特點研究四叉樹格線剖分方法，生成界面加密的自適應比例邊界有限元（SBFEM）計算格線；根據細觀混凝土三相組成材料的力學特性和幾何特性，結合試驗的相關成果，發展了一種新的細觀層次混凝土裂紋擴展模擬的SBFEM分析方法；結合有限域-無限域的耦合模型及多邊形格線重劃分方法，提出了一種適用於大壩-無限地基系統的動態斷裂分析方法；用自編混凝土隨機骨料生成軟體（2D-RAS）生成不同骨料含量的混凝土數值試件，研究細觀尺度下混凝土力學行為對其導熱性能的影響，揭示了有效導熱係數在拉伸破壞過程中的變化規律。 以上成果為進一步深入研究混凝土複合材料的破損機理奠定了基礎，研究開發的比例邊界有限元法程式可用於實際工程開裂分析，具有廣闊的套用前景。