钢纤维高强混凝土动态力学性质的研究

论文摘要

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

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢纤维高强混凝土的基本特性
• 1.1.1 混凝土的组成和非均匀性
• 1.1.2 钢纤维高强混凝土的特点及工程应用
• 1.2 混凝土动态力学行为研究进展
• 1.2.1 混凝土静态力学性能研究简述
• 1.2.2 混凝土动态力学行为研究进展
• 1.2.2.1 应变率对混凝土强度的影响
• 1.2.2.2 应变率对混凝土变形性能的影响
• 1.2.3 混凝土应变率相关本构研究进展
• 1.3 混凝土SHPB实验技术的发展
• 1.3.1 混凝土的主要动态实验技术
• 1.3.2 混凝土SHPB实验技术的主要发展
• 1.4 本文的主要工作和内容
• 参考文献
• 第二章 钢纤维高强混凝土实验
• 2.1 钢纤维高强混凝土试样
• 2.1.1 试样配合比
• 2.1.2 试样制作过程
• 2.2 钢纤维高强混凝土SHPB试验
• 2.2.1 SHPB实验技术简介
• 2.2.2 钢纤维高强混凝土的SHPB实验的若干环节
• 2.2.2.1 入射波形控制
• 2.2.2.2 应变率控制
• 2.2.2.3 端面摩擦效应及试样惯性效应的影响
• 2.2.2.4 其他方面
• 2.2.3 实验曲线
• 2.2.3.1 C60系列
• 2.2.3.2 C80系列
• 2.2.3.3 C100系列
• 2.3 钢纤维高强混凝土的准静态和准动态压缩实验
• 2.3.1 准静态实验
• 2.3.2 抗压强度实验
• 2.3.3 准动态实验
• 2.4 钢纤维高强混凝土动态劈裂试验初步研究
• 2.4.1 动态劈裂实验基本原理
• 2.4.2 动态劈裂实验数据
• 2.4.3 利用动态劈裂测量混凝土的拉伸弹性模量及泊松比
• 2.4.4 动态劈裂实验存在的问题
• 2.4.4.1 不均匀的二向应力状态对混凝土破坏的影响
• 2.4.4.2 应力分量对弹性模量和泊松比的影响
• 参考文献
• 第三章 钢纤维高强混凝土实验分析
• 3.1 钢纤维高强混凝土的应变率效应
• 3.1.1 动态增长因数（DIF）与应变率的关系
• 3.1.2 峰值应变与应变率的关系
• 3.1.3 峰值韧度与应变率的关系
• 3.1.4 弹性模量、泊松比和破坏形态与应变率的关系
• 3.2 混凝土动态增强的机理分析
• 3.2.1 混凝土抗压强度及动态增强的断裂力学分析
• 3.2.2 损伤力学的定性分析
• 3.3 钢纤维对混凝土的增强增韧性能
• 3.3.1 钢纤维对混凝土的增强效应
• 3.3.2 钢纤维对混凝土的增韧效应
• 3.4 混凝土的尺寸效应及应变率的影响
• 参考文献
• 第四章 混凝土的率型本构
• 4.1 混凝土动态本构简介
• 4.1.1 Holmquist—Johnson—Cook模型
• 4.1.2 由静力建立的经验型动力本构模型
• 4.1.3 Eibl—Schmidt模型
• 4.1.4 ZWT本构方程
• 4.1.5 粘塑性本构模型
• 4.2 混凝土单轴压缩的ZWT本构拟合
• 4.2.1 ZWT方程的简化
• 4.2.2 ZWT方程拟合过程
• 4.3 对 ZWT方程拟合的讨论
• 4.3.1 ZWT方程用于混凝土本构的优点
• 4.3.2 利用应变能密度辅助参数拟合
• 4.3.3 损伤演化的影响
• 参考文献
• 第五章 混凝土SHPB实验新技术的研究
• 5.1 应变直测技术及与传统方法的结合
• 5.1.1 电阻应变计的频率响应
• 5.1.2 混凝土材料均匀性实验
• 5.1.3 应变直测法在混凝土准静态压缩实验中的应用
• 5.1.4 应变直测法在混凝土冲击压缩实验中的应用
• 5.2 采用PVDF应力计的应力直测技术
• 5.2.1 PVDF压电薄膜测压机理
• 5.2.2 PVDF应力计结构形式
• 5.2.3 PVDF应力计的测量模式
• 5.2.4 PVDF应力计动态压电应变常数的标定
• 5.2.5 PVDF应力计用于混凝土冲击压缩实验的研究
• 5.3 波分离技术在混凝土实验中的应用
• 5.3.1 波分离技术简介
• 5.3.2 混凝土实验中的波分离技术
• 5.3.3 数值模拟及实验验证
• 5.3.4 波分离技术的误差讨论
• 参考文献
• 第六章 大尺寸SHPB实验技术的数值模拟
• 6.1 大尺寸压杆中应力波的传播特性
• 6.1.1 φ100SHPB装置中的应变测试
• 6.1.2 数值模拟
• 6.2 大尺寸SHPB装置实验精度分析
• 6.2.1 入射波波形的影响
• 6.2.2 试样几何缺陷的影响
• 参考文献
• 第七章 全文工作的总结和展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.1.1 全文主要工作
• 7.1.1.1 实验研究和分析
• 7.1.1.2 实验新技术研究和大尺寸SHPB装置的数值模拟研究
• 7.1.2 全文创新点
• 7.2 今后展望
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文