钢纤维混凝土动态断裂及随机损伤演化的宏细观机理

Steel fibre reinforced concrete (SFRC) is a composite material in which steel fibers are dispersed in concrete. In recent years, it has been widely used in various types of structures to resist the fatigue or impact loads. The bridging effect of the steel fibres and stochastic damage evolution of concrete are coupling during the dynamic fracture process. Experiments, theory analysis and numerical simulation will be performed in this work to study macro- and meso- mechanism of dynamic fracture and stochastic damage evolution of SFRC. First, adopting digital speckle correlation method and acoustic emission technique, experimental studies on dynamic fracture for SFRC under fatigue and impact loads will be performed, the characteristics of damage evolution at crack tip during the crack propagation process will be analyzed, and the effect of steel fibres on fracture process zone (FPZ) of concrete will be studied. Secondly, the damage and dynamic fracture coupling model of SFRC will be established combining stochastic damage mechanics and fracture mechanics of composite material. The theoretical analysis method of the coupling model will be studied as well. Finally, the dynamic fracture and stochastic damage evolution of SFRC will be studied by multi-scale stimulation method. Through this project, qualitative and quantitative analysis and explanation on dynamic fracture mechanism of SFRC will be conducted, which will provide theoretic basis and guidance on safety assessment and repair of cracks in SFRC structure.

钢纤维混凝土是在混凝土中掺入钢纤维形成的复合材料，近年来被逐渐应用于各类耐疲劳或抗冲击的结构中。在动态断裂破坏时，钢纤维桥连作用与混凝土随机损伤演化相互耦合。本项目拟结合断裂试验、理论分析及数值模拟手段，对钢纤维混凝土动态断裂及随机损伤演化的宏细观机理进行深入研究。首先，结合白光数字散斑相关方法及声发射测量技术，分别开展钢纤维混凝土在疲劳与冲击荷载下的动态断裂试验，分析裂缝扩展过程中裂尖的损伤演化规律，研究钢纤维对混凝土断裂过程区损伤特性的影响。其次，结合随机损伤力学与复合材料断裂力学理论建立钢纤维混凝土动态损伤断裂耦合模型，并研究模型的理论分析方法。最后，基于多尺度方法开展钢纤维混凝土动态断裂与随机损伤演化的数值模拟。通过本项目研究，有利于从机理上定性定量地分析和解释钢纤维混凝土的动态断裂问题，进而为钢纤维混凝土结构裂缝安全评定及修复加固等提供理论基础与指导。

钢纤维混凝土动态断裂损伤演化的宏细观机理是保障各类耐疲劳或抗冲击结构安全服役的关键基础问题。本项目结合断裂试验、理论分析及数值模拟手段，对钢纤维混凝土动态断裂及随机损伤演化的宏细观机理进行深入研究。开展了钢纤维混凝土三点弯曲梁疲劳断裂试验，考虑纤维掺量、纤维分布方向等因素，分析裂缝扩展过程中裂尖的损伤演化规律，研究钢纤维对混凝土断裂过程区损伤特性的影响。基于热力学耗散势函数与损伤力学理论，考虑钢纤维方向与应力水平等因素建立钢纤维混凝土疲劳寿命预测解析模型。进行了三点弯曲梁落锤冲击试验，研究了冲击高度、纤维掺量及纤维方向对钢纤维增强混凝土冲击断裂性能的影响。研究表明，钢纤维的掺入可有效抑制裂缝尖端断裂过程区的损伤演变，进而提升混凝土的疲劳与冲击性能，将钢纤维按特定方向排列可充分发挥钢纤维的增强增韧效应。提出了随机乱向及定向钢纤维混凝土的细观模型生成方法，建立了钢纤维混凝土细观断裂损伤演化模型。通过细观数值模拟方法，以弹性模量、抗拉强度及抗压强度为指标对不同纤维掺量下的随机乱向及单向定向钢纤维增强水泥基复合材料代表体积单元尺寸进行了定量研究。进一步发展了钢纤维混凝土断裂的多尺度分析方法。结合考虑加载率相关性的粘聚裂纹本构关系以及钢纤维等效本构关系，开展了钢纤维混凝土动态断裂数值模拟研究。通过本项目研究，揭示钢纤维混凝土动态断裂过程区的损伤演化特性，建立钢纤维混凝土动态断裂及损伤演化的理论与数值模型，发展了可用于模拟钢纤维混凝土动态裂缝扩展与损伤演化的多尺度分析方法。研究成果有利于从机理上定性定量地分析和解释钢纤维混凝土的动态断裂问题，进而为钢纤维混凝土结构裂缝安全评定及修复加固等提供理论基础与指导。相关研究成果发表学术期刊论文36篇，出版学术专著2部，获河北省科技进步二等奖1项。