混凝土及其组成材料动力特性研究

目前，对结构抗震设计和计算中的关键因素——混凝土动力特性的研究已成为结构动力分析公认的“瓶颈”。自1917年Abram发现了混凝土的抗压强度存在率敏感性以来，近九十年的研究成果表明，混凝土动力特性的影响因素较多，动载作用下的混凝土材料强度和弹性模量的提高极大地依赖于荷载的加载速率、初始静载大小、试件的体积和混凝土组成材料的性质和配比。随着细观计算理论的发展和计算机性能的提高，混凝土及其组成材料动力特性的研究进入了新领域。 本文是河海大学院士学科发展基金项目“混凝土动力特性及动态损伤机理研究”(院士基金02—01)的子课题之一。本文首先对混凝土及其组成材料：水泥砂浆、粗骨料和两者的交界面的动态力学性能的研究历史和现有研究成果作了系统的总结。指出了混凝土及其组成材料动力特性这一课题目前的研究热点和难点。宏观上，从混凝土拌和的角度，介绍了全级配混凝土所用组成材料的质量控制方法，以及全级配混凝土拌和物浇筑质量控制方法。并建议今后的混凝土试件浇筑时均对材料基本性能以及拌和物工作性能作详细记录。细观上，利用Fortran语言和Ansys有限元软件建立了可考虑交界面单元细化的三维混凝土细观有限元模型。并介绍了计算混凝土弹性段割线弹模的计算模型法和细观有限元法两种方法，已知混凝土材料基本性能和配比的情况下，预测混凝土弹性模量。本文在Hirsch等效弹性模量计算模型的基础上提出了分别考虑基体和骨料两种材料应变率效应的混凝土动态等效弹性模量计算模型Hirsch-D，以考虑不同应变率下混凝土动态等效弹性模量的变化。 通过上述工作，本文得出以下主要结论：①目前混凝土动力特性研究的趋势是将宏观和细观相结合，考虑混凝土为两相或三相复合材料，从混凝土组成材料的动力性能出发，研究混凝土的宏观动力特性；②本文建议在混凝土材料试验前，有针对性的选用混凝土组成材料，对其基本性能作详细记录，并对拌和物工作性能做严格控制，以保证试件浇注质量，增加试验结果的可比性；③本文采用蒙特卡罗方法，利用Fortran语言和Ansys有限元软件建立了可考虑交界面单元细化的三维混凝土细观有限元模型。该模型可初步模拟混凝土为由骨料、水泥砂浆和交界面组成的三相复合材料。④混凝土弹性段的割线弹性模量是混凝土变形性能的重要指标。从细观角度出发，由混凝土组成材料的弹性模量、骨料级配和骨料体积含量等参数，计算混凝土复合材料的弹性模量的方法是可行的。