基于细观力学的全级配混凝土在强动载作用下损伤破坏机理

强动载（包括强震、弹体爆炸、高速侵彻、燃气爆炸、高速碰撞等）条件下混凝土材料损伤演化规律和破坏机理问题一直是防灾工程领域研究的热点和难题问题。本项目拟采用细观力学分析方法，针对混凝土细观层次结构和组成特点，建立三维细观随机骨料模型和高效的并行数值分析方法。通过对三个组份（粗细骨料、水泥砂浆和粘接界面层）动态力学性能的研究和损伤演化规律分析，提出细观层次三组份材料动态损伤本构模型和破坏准则，研究强动载条件下全级配混凝土的损伤演化规律和破坏模式并建立相应的计算方法。根据材料多尺度计算理论建立混凝土材料细观力学性能和宏观力学参数之间的关系。通过采用CT扫描、电镜观察等方法研究强动载下混凝土内部裂纹分布扩展情况以及损伤累积演化规律，验证数值分析模型的合理性及计算结果的可靠性。研究成果对于进一步揭示强动载作用下混凝土的损伤破坏机理、建立可靠的混凝土结构抗强动载作用的设计计算理论提供依据。

本课题在三年研究期间，共开展了五个方面的研究工作，一是混凝土三维细观模型及静动态力学性能研究，二是纤维混凝土三维细观模型及静动态力学性能研究，三是块石遮弹层三维模型及抗侵彻研究，四是沙体三维细观模型及动力学性能，五是泡沫金属三维细观模型及静动态力学性能，圆满完成了任务书规定的内容。共取得了七个方面的研究成果，具体来讲，主要包括以下几个方面：.一是提出了考虑骨料大小、形状和分布的随机性的全级配混凝土三维细观模型的建模方法；二是利用所提出的混凝土细观模型，从细观层次揭示了高应变率下混凝土动力特性；三是揭示了块石遮弹层的高抗力作用机理，提出的块石填充高性能混凝土遮弹层的高抗力结构并在工程中应用；四是考虑钢纤维分布随机性，创新性地提出了纤维混凝土三维细观模型的建模方法；五是提出了沙子大小与形状及其随机分布的三维建模方法；六是提出了考虑随机缺陷的砂浆三维细观模型的建立方法；七是提出了考虑孔隙大小和壁厚随机分布的泡沫金属三维细观模型。.研究成果揭示了工程材料和结构的宏细观力学性能之间的关系，为设计高抗力阵地提供了一定的借鉴意义，对进一步提高防护工程生存能力提供了理论依据和参考。