混凝土類材料的動態壓縮應變率效應及其測量方法研究

《混凝土類材料的動態壓縮應變率效應及其測量方法研究》是依託北京理工大學，由李慶明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：混凝土類材料的動態壓縮應變率效應及其測量方法研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：李慶明
• 項目類別：面上項目

項目摘要

工程結構在受到爆炸與衝擊等強動載荷作用下的回響與其在準靜態載入下的回響有明顯區別。其中一個最重要的影響因素是應變率對材料本構關係及強度的影響（稱為應變率效應）。為了準確預測工程結構在強動載荷作用下的回響，在分析與數值模型中需要對材料的應變率效應加以考慮。混凝土類材料在壓縮狀態下的應變率效應目前主要由分離式霍普金生壓桿(SHPB)實驗來確定。本研究對當前國內外普遍接受的混凝土類材料動態壓縮強度SHPB測量方法提出質疑並進行深入研究; 對混凝土類材料的動態壓縮強度測量方法提出改進; 確定材料的真實應變率效應及影響測量的因素; 建立正確的材料動態本構與強度模型參數；通過對混凝土類材料動態壓縮中的真實應變率效應進行細觀尺度上的理論與數值研究, 提供其動態壓縮應變率效應的微細觀物理機制與解釋。本研究對建立可靠的混凝土類材料動態壓縮實驗方法及正確的混凝土類材料動態本構與強度模型有重要意義。

結題摘要

混凝土是建造各類建築及設施的常用材料。這些建築與設施在其服役期間可能承受自然災害、戰爭打擊或人為破壞等各類強動載荷侵襲並導致失效，威脅國家安全與社會穩定。清晰理解混凝土類材料在高應變率下的動態力學行為是合理設計該類建築的關鍵環節。 本研究綜合套用實驗、數值模擬、理論推導等方法研究混凝土類材料的動態壓縮強度，主要研究內容和科學意義總結如下 1、系統研究了不同厚徑比的圓柱形試件在各種端面摩擦情況下的準靜態壓縮強度變化規律。研究表明，單軸壓縮下，端面摩擦效應會顯著影響試件內部應力狀態，使其從一維應力狀態轉變為複雜應力狀態，進而提高試件抗壓強度。此強度提高係數與試件厚徑比密切相關，並隨厚徑比減小而逐漸增大。靜態強度提高因子回歸公式可綜合考慮以上兩種因素的耦合效應，方便工程設計並為準確理解混凝土類材料的動力力學性能提供參考。 2、套用霍普金生壓桿（SHPB）系統，並引入波形調整技術和應力平衡判斷標準，考察了多組厚徑比、端面摩擦組合下混凝土類材料動態壓縮強度變化規律，得到了混凝土類材料在準靜態及動態壓縮強度測試中的非應變率效應（即結構效應）影響因素與機制，確定了產生偽應變率效應的條件及因素。研究發現，當應變率大於某臨界轉換應變率時，結構效應開始起作用。此效應由內因與外因聯合導致：其內因為材料的靜水壓力相關性（即材料的壓縮強度隨靜水壓力增大而增大，也可理解為壓縮強度隨徑向約束增大而增大）；其外因為由各種因素導致的徑向約束，由兩個機制引起：試件端面摩擦及試件在高應變率載入時不可避免的慣性約束。 3、探索了基於數學統計模型、理想骨料隨機分布、真實試件照片和3D CT掃描影像的混凝土類材料細觀模型建立方法和分析手段，以準確反映該類材料強度和組份分布不均勻性。基於考慮損傷力學的數值模擬研究表明混凝土類材料細觀非均質性是其產生巨觀壓縮應變率效應的一個重要因素，從微觀層面上揭示了混凝土材料巨觀性能的機制。 4、基於本項目所取得研究成果，對工程界常用的K-C混凝土模型進行了包括應變率效應在內的四個方面的修正，並成功將其套用於彈體高速撞擊混凝土靶體的數值模擬中。為準確預測結構動力行為和安全性評價提供了實用方法和可靠工具。 本研究對正確認識混凝土類材料應變率效應的物理機制、建立正確的混凝土類材料動態性能測試方法、確定其動態強度模型及參數、準確預測各類軍事與民用混凝土結構的抗衝擊能力提供了理論支撐。