混凝土应变率相关强度理论研究及实验验证

Concrete has been used as a construction material for tunnels, railway sleepers, nuclear reactor containment, airdrome, bridges, buildings and structures. During the using, the structures were unavoidable impacted by earth shake, blast and etc. Therefore, theoretically and practically, it is important to study the dynamic strength problem of concrete.In this project, by testing on the strain-rate strengthening effect of concrete materials under various principal stress ratios and furthermore, by incorporating the Ottosen strength theorem and dynamic increase factors of concrete materials, the strain rate dependent strength criterion will be established. Via SHPB and the universal machine, quasi-static and high strain rate test on different types of concrete specimens will proceed, in which the strength values under various principal stress ratios will be obtained. The dynamic increase factors will also be calculated and based on the Ottosen strength theorem, the strength criterion regarding strain rate dependent kinematic increasing and expansion increasing will be built, which can be used as failure criteria in FEM softwares such as ANSYS in order to facilitate the predicting and analyzing techniques in disaster prevention and reduction and engineering defense.

混凝土在隧洞衬砌、铁路轨枕、核反应堆安全壳、管道工程、建筑物、防御工事、大型桥梁、机场等军用和民用建筑上得到了广泛的工程应用。而以上大型混凝土结构在其使用过程中，不可避免的要受到地震、爆炸等动态或冲击荷载的作用，因此研究钢纤维混凝土的强度问题具有重要的理论意义和广泛的工程应用背景。本项目通过测试混凝土材料不同主应力比值下的应变率增强效果，结合Ottosen强度理论和混凝土材料的动态增强因子，建立普通混凝土材料的率相关强度准则。借助于分离式霍普金森压杆和万能材料试验机，不同形式的混凝土试样进行准静态和高应变率实验，实现不同主应力比值作用下的强度测试。并进一步得到不同主应力比值下的动态增强因子，结合Ottosen强度理论，建立混凝土材料的率相关随动增强和扩张增强的强度准则。该准则可应用于ANSYS等软件的混凝土失效判据，从而促进我国防灾减灾和工程防御的分析预测。

大型结构中的混凝土在使用过程中，易要受动态或冲击荷载的作用，如桥墩受到轮船或汽车的撞击，军用工事受到轰击，核反应堆外壳承受爆炸载荷，海洋平台或风机发电桩受海啸波浪的作用，高层建筑受到地震的作用等。预测混凝土结构在地震、爆炸等动荷载下的响应，促进混凝土在防灾减灾工程方面更安全的应用，尤其是混凝土等工程材料的动态强度问题成为了国内外学术界和工程界关注的热点问题之一。在承受动载时，各种大型工程结构中的混凝土通常处于二轴或三轴的复杂应力状态，所以混凝土在多轴应力状态下的应变率相关强度准则是进行结构抗震、抗冲击设计中必须考虑的重要因素。. 现有的混凝土应变率相关强度的动态增强因子计算公式形式复杂、存在拐点，不利于有限元等数值计算工具的失效计算。本项目的将动态增强因子与应变率建立为线性计算公式，把混凝土的应变率相关强度增强系数认为是混凝土材料自身基体强度、含水率、钢纤维掺量等因素决定的属性，混凝土强度的增强量与应变率成线性关系，线性计算模型的形式简洁，强度增量可以根据不同的应变率进行插值计算，且其参数具备明确的物理意义。. 根据混凝土强度准则包络面随应变率之间扩张或移动的特性，本项目建立了适用于大多数混凝土材料的Ottosen准则强度包络面的随动增强模型和等向增强模型。随动增强模型和等向增强模型均可在一定程度上解释混凝土材料拉、压应力状态下强度动态增强效果不同的现象，混凝土材料的率相关强度准则的强度包络面介于这两个包络面之间。实际上，两种模型同时存在于应变率增强的包络面中，只是各自所占比例不同，即为混合增强模型，而静水压力轴方向的增量与动态增强因子和三轴拉伸强度乘积一致。. 本项目讨论了旋转椭球体试样的劈拉试验方法，完成球形试样伪三轴高应变率试验技术的理论研究及仿真分析，相比巴西圆盘试样加载技术的具有球心处应力状态的罗德角永远等于60度，测试得到的强度值恰好处于强度包络面的拉压子午线上的优点。最后，采用对钢纤维掺量分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的混凝土试样进行了准静态和动态加载实验进行了实验验证。