基于最小能量原理混凝土強(qiáng)度細(xì)觀力學(xué)研究.pdf

1、由于混凝土材料具有抗壓性能強(qiáng)，適用性廣，取材方便，耐冷耐熱耐火性好等優(yōu)點(diǎn)，使得混凝土材料被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活領(lǐng)域，如交通、建筑、水利水電等?；炷磷鳛橐环N建筑材料，其破壞與否直接關(guān)系到工程的安全性，所以對(duì)混凝土材料強(qiáng)度變化規(guī)律的研究是目前亟需解決的難題。
　　隨著隨機(jī)骨料分布、初始缺陷分布、阻尼、孔隙壓力、慣性力等參數(shù)的不同，加載方式的不同，以及加載速率的不同，混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律復(fù)雜。本文通過(guò)理論推導(dǎo)、CT試驗(yàn)，以及數(shù)值試驗(yàn)研究

2、混凝土試件強(qiáng)度不同的原因，利用最小耗能原理探索混凝土強(qiáng)度變化的根源，提出了一種破壞耗能理論:由于不同試件所處的應(yīng)力狀態(tài)不同，裂紋萌生位置和發(fā)展方向不同，導(dǎo)致試件的破壞形態(tài)不同，決定了試件的破壞面積不同;破壞面積越大，試件破壞所需的能量越大，試件的強(qiáng)度也就越大。試件的破壞面積及破壞形態(tài)由試件應(yīng)力狀態(tài)決定，遵循最小耗能原理所形成的破壞面是試件的真實(shí)破壞面。本文開(kāi)展的工作如下:
　　(1)為混凝土數(shù)值計(jì)算選取合適的建模方法、本構(gòu)方程和破

3、壞準(zhǔn)則:對(duì)隨機(jī)骨料數(shù)值模型、接觸單元模型和CT三維重建模型進(jìn)行比較;選取最適用的建模方法，采用均質(zhì)巖石試件探索性研究了彈塑性本構(gòu)中D-P準(zhǔn)則、非線性彈性本構(gòu)的最大拉應(yīng)變破壞準(zhǔn)則，在應(yīng)力和位移兩種控制加載方式下，較適合巖類(lèi)材料數(shù)值計(jì)算的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則;最后采用非線性彈性本構(gòu)和最大拉應(yīng)變破壞準(zhǔn)則，用數(shù)值方法研究了混凝土的力學(xué)特性、試件損傷過(guò)程，并與CT試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。
　　(2)在不同加載條件下，針對(duì)長(zhǎng)壓、短壓、受彎、受扭和受拉作用

4、下的混凝土試件，研究了應(yīng)力狀態(tài)與裂紋開(kāi)裂、發(fā)展及試件的破壞形態(tài)之間的關(guān)系。以能量守恒原理以及混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)為基礎(chǔ)探索了破壞面積，破壞能量和強(qiáng)度三者之間的關(guān)系。
　　(3)基于CT試驗(yàn)，對(duì)靜壓、靜拉試件外界輸入的功和試件破壞過(guò)程中消耗掉的能量進(jìn)行研究，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中規(guī)定曲線拐點(diǎn)處的應(yīng)力即最大應(yīng)力為該混凝土試件的強(qiáng)度。另對(duì)CT圖像中試件的破壞面積進(jìn)行計(jì)算，研究混凝土試件破壞過(guò)程中外界輸入能量與其內(nèi)部能量之間的轉(zhuǎn)化機(jī)理，以及隨著破

5、壞面積的擴(kuò)大總能量和應(yīng)變能的消耗情況。從CT試驗(yàn)角度驗(yàn)證破壞耗能理論。
　　(4)在不同加載條件下，如拉、壓、受彎作用下，對(duì)混凝土試件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算其破壞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著荷載增大，單元損傷程度增大，殺死單元也增多，試件破壞面積越來(lái)越大，外界輸入能量逐漸轉(zhuǎn)成新的表面能，產(chǎn)生的新裂紋面增大，消耗能量增大，試件完全破壞，消耗掉的能量即為破壞能。數(shù)值計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，混凝土的應(yīng)力狀態(tài)不同決定其破壞形態(tài)不同，破壞形態(tài)差異決定破壞面積的大小，破壞

6、面積的大小決定了其破壞所耗的能量大小，而破壞能量的大小決定了個(gè)試件強(qiáng)度的大小，也就是說(shuō)混凝土試件拉、壓、彎強(qiáng)度差異的根源是其不同應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的破壞耗能不同。
　　(5)對(duì)相同截面和配合比試件，進(jìn)行長(zhǎng)徑比κ（半徑與高的比）分別為1∶1，1∶2，1∶4，1∶6，1∶10的受壓試驗(yàn)，計(jì)算得出其強(qiáng)度與破壞面積和破壞能有關(guān)，應(yīng)力狀態(tài)決定其破壞形態(tài)，表現(xiàn)出破壞形態(tài)不同，破壞面積不同，破壞能不同，得出的各試件強(qiáng)度不同。歸納規(guī)律，試件截面相同，隨著

7、長(zhǎng)度的增加，大小主應(yīng)力差增大，破壞面積減小，破壞能減小，試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)度減小;各試件的強(qiáng)度、破壞面積和破壞能量三者大小順序一致。
　　(6)通過(guò)理論分析、CT試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究混凝土在不同加載條件下的破壞面積，破壞能和強(qiáng)度三者之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)試件的破壞面積與破壞能量成正比，即單位破壞面積消耗的破壞能為材料的固有屬性，驗(yàn)證了Rittinger新表面學(xué)說(shuō)，其次從宏觀能量角度，研究破壞能與試件強(qiáng)度的關(guān)系，運(yùn)用試件破壞面積從側(cè)面表征和度量其