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混凝土結構的抗震性能設計意義重大
發表時間:〖2020/3/27〗    瀏覽次數:〖746

  《強沖擊荷載作用下混凝土材料動態力學特性及本構模型》成果推介 混凝土是目前工業與民用建筑中最常用的結構工程材料,已經被廣泛地應用于高層建筑物、長跨橋、大壩、水電站、隧道、碼頭等。

  這些混凝土結構在其工作過程中除了承受正常的設計載荷外,往往還要承受諸如地震、爆炸、沖擊和撞擊等動載荷。為了更好地設計和分析這些混凝土結構,必須對混凝土材料在沖擊載荷作用下的力學性能及其本構特性進行研究。目前,人們對混凝土材料的動態力學性能已經有了比較深刻的認識和研究,對其動態本構特性也做了一定研究工作。但由于缺乏對混凝土材料在沖擊荷載作用下破壞機理的全面認識,因此至今仍未有一種大家普遍接受的本構模型.北京理工大學寧建國教授指導的課題組多年來一直從事混凝土、鋼筋混凝土材料與結構在動態荷載作用下的動態力學性能分析和理論建模方面的研究,取得了很好的研究成果。

  由寧建國教授擔任第一作者撰寫的《強沖擊荷載作用下混凝土材料動態力學特性及本構模型》是其中部分研究成果。該文發表在《中國科學G輯:物理學 力學 天文學》(http://earth.scichina.com/cn/dqml.asp)2008年第6期上。他們基于損傷與塑性耦合的理論,提出了一個本構模型用于描述混凝土材料在強動荷載作用下的力學特性,該模型將對混凝土、鋼筋混凝土結構的抗震或抗沖擊設計與分析具有重要指導意義。

  混凝土材料沖擊特性響應是一個非常復雜的過程,不僅涉及了材料內部微結構損傷缺陷(微裂紋和微空洞等)的演化發展,而且還涉及了材料應變率敏感效應和靜水壓力相關性的影響。然而,目前在實驗上分離這些材料特性并直接測試是不可能的。該研究中,宏觀上假設混凝土材料是一個均勻連續體;而從細觀角度來看,混凝土材料內部存在大量隨機分布的微裂紋損傷和微空洞缺陷。

  假設微裂紋是均勻分布,且符合理想微裂紋體系統條件,由此基于統計細觀的理論定義了一無量綱化的損傷變量—裂紋密度來表征微裂紋損傷所引起的混凝土材料宏觀力學性能的劣化。隨著微空洞的塌陷,混凝土材料被壓縮密實,體積模量也相應增大。同時,在混凝土材料內部還產生了不可恢復的塑性變形。通過微空洞體積百分比的定義,就可將損傷和塑性完全耦合;诹鸭y擴展模型,微裂紋被激活、成核并擴展。當累積裂紋密度達到某一閾值時,混凝土材料發生粉碎性破壞。利用該模型對平板沖擊下混凝土的沖擊特性進行數值模擬,結果表明:模型預示結果

  無論在變形趨勢上,還是數值精度上都與實驗結果符合得很好。

  這一研究的創新之處在于同時考慮了混凝土內部微裂紋缺陷和微空洞缺陷的成核和擴展,并將兩者耦合起來描述混凝土材料在強沖擊荷載下的動態力學性能。該項研究成果填補了我國在沖擊荷載作用下混凝土材料動態特性和本構模型研究方面的空白,為武器裝備的研制提供了關鍵的技術支撐,并在工程實際中得到了廣泛的應用。同時,該研究課題得到了國家杰出青年科學基金項目的資助。

  每年全世界都有許多地震發生,特別是今年5月發生在四川的大地震引起全世界的關注,建筑物的抗震性能設計顯得尤為重要。希望本研究成果能夠在混凝土結構的抗震性能設計方面給出一些借鑒和指導意義。

  雖然該研究提出的本構模型是針對混凝土材料,同樣適用于巖石等準脆性材料在沖擊荷載作用下動態特性的描述。

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