混凝土動態壓拉損傷耦合演化機理研究

《混凝土動態壓拉損傷耦合演化機理研究》是依託北京理工大學，由李金柱擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：混凝土動態壓拉損傷耦合演化機理研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：李金柱
• 項目類別：面上項目

項目摘要

混凝土材料經常處於動態壓拉載荷以及二者互動作用的複雜環境中，如動能彈侵徹、地震作用等。 混凝土介質的動態力學回響涉及到應變率效應、圍壓效應等巨觀效應，也涉及到微裂紋微孔洞形核成長等細觀結構演化。傳統的混凝土動態力學性能研究往往將巨觀力學回響和細觀結構損傷演化分析分別獨立進行研究，未能提供巨觀和細觀內在關聯性的基礎實驗數據，機理分析也比較缺乏。 本項目針對混凝土動態回響特性中急需解決的關鍵科學問題，以獲取動態壓拉載荷作用下混凝土的巨觀力學回響和細觀損傷演化間的關在線上理以及壓拉損傷相互影響規律為突破點，採用試驗測試、理論分析和數值計算相結合的方法，重點獲得不同應變時，不同應變率條件下損傷混凝土的三維細觀結構，建立應變、應力、應變率、微裂紋微孔洞統計分布以及損傷度間的相互關係，給出壓拉損傷的相互影響規律，建立壓拉損傷耦合本構模型並進行數值模擬驗證，為預測混凝土複雜載荷下的力學行為提供基礎條件。

結題摘要

混凝土是一種在地下深層防護工事、核工業設施等建築中廣泛套用的工程材料。當受到彈藥、地震等衝擊載荷作用時，會處於複雜的壓縮應力和拉伸應力互動作用的環境中。因此研究混凝土材料的拉、壓損傷的演化及其相互影響規律，建立拉壓損傷耦合本構關係模型有重要意義。 著重進行了下列研究：混凝土和砂漿的累積衝擊壓縮損傷演化規律研究、壓縮損傷和拉伸損傷相互影響規律、壓拉損傷耦合模型建立與仿真驗證。 在被動圍壓和控制平均應變條件下,對混凝土與砂漿試樣進行了不同載入速度的累積衝擊試驗，分析了不同衝擊次數下材料的損傷演化規律。結果表明：多次衝擊時，在未達到屈服點時就已經發生損傷，衝擊次數越多，累積損傷越大；動態屈服強度可以達到靜態壓縮強度的2 倍以上；隨著子彈發射壓強的增大，混凝土試樣的應力應變曲線會出現應力二次波峰現象。 對砂漿和混凝土巴西圓盤試樣進行靜動態拉伸研究，獲得了不同載入速率下兩種材料的典型拉伸破壞形態、抗拉強度和斷裂韌度。結果表明：隨著載入速率的增大，應力時程曲線變得越來越光滑，兩種材料的拉伸強度和斷裂韌度隨之增加，但混凝土材料的上升斜率更陡；低應變率下，混凝土的拉伸破壞主要沿著骨料和砂漿基體的界面進行，當應變率高於某一值，出現了穿過骨料的斷裂模式。 對預載入到不同損傷程度的試樣進行動態拉伸試驗，獲得了預損傷後的材料性能參數。結果表明：預載入到壓縮強度50%時，預載入基本不會影響到材料的拉伸斷裂特性；此後，隨著預載入值的增加，材料的楊氏模量、拉伸強度和斷裂韌度隨之減少。 壓縮效應損傷本構關係包含了圍壓效應、損傷的初始應力強度和殘餘屈服強度，並給出了三種強度、應變率和圍壓之間的關係。拉伸損傷效應本構關係中裂紋的尺寸以三維尺度替代了TCK模型中的二維尺度，以修正裂紋的尺度和損傷度之間的關係。建立了壓縮損傷度和拉伸損傷度間關係表達式。將該本構嵌入到程式中，基於基和礎力學試驗和侵徹貫穿試驗的結果對比，進行了仿真驗證。 給出的理論模型可套用於侵徹爆破戰鬥部的設計和防護結構設計。