混凝土单轴压缩及单轴拉伸破坏过程的细观数值试验及CT验证

摘要

混凝土材料在动荷载作用下，会导致其的力学性能发生很大的变化，其破坏过程是一个非常复杂的非线性材料损伤过程。本文利用细观力学、随机数学方法和数值计算理论相结合，来分析混凝土试件在冲击荷载作用的变形、损伤和破坏过程。利用有限元软件ABAQUS对混凝土试件在不同加载速率和不同加载幅值下受到冲击荷载作用下的单轴受压和单轴拉伸破坏的数值模拟，研究不同加载速率以及加载幅值对混凝土强度的影响。利用CT技术能够观察混凝土材料中裂纹的萌生、发展以及最终贯通破坏过程，通过对比数值计算结果与CT试验结果，总结混凝土材料的破坏机理和破坏形态。本文通过数值模拟和CT试验分析，研究成果如下：
　　（1）在不同加载速率下的冲击荷载条件下，对混凝土试件的单轴受压模拟时，速率越大，其强度也会增大。当速率提高2.5倍时，试件的平均强度提高了2％；当加载速率提高4倍时，试件的平均强度提高了7.3%。对混凝土试件的单轴拉伸模拟时，当速率提高2.5倍时，试件的平均强度提高了53%；当加载速率提高4倍时，试件的平均强度提高了57%。
　　（2）在不同加载幅值下的冲击荷载条件下，对混凝土试件的单轴受压模拟时，我们发现，混凝土的强度随着加载幅值的增大而增大。当加载幅值提高2倍时，平均强度提高了2.6%。当加载幅值提高3倍时，试件的平均强度提高了5.6%。
　　（3）对于在不同加载速率以及不同加载幅值条件下的单轴受压模拟，我们得知，混凝土的破坏最开始是从界面层发生的，即界面层的强度最低。产生的裂纹随着外荷载的增大向砂浆层发展，最后直至裂纹贯穿整个混凝土试件。破坏形式为呈45度的剪切破坏。对于不同加载速率下的单轴拉伸模拟时，我们通过分析数值计算结果发现，其破坏是在混凝土试件底部形成一条贯穿横截面的宏观裂纹。
　　（4）通过对比混凝土试件在冲击荷载作用下的单轴受压和单轴拉伸数值模拟损伤云图与CT试验获得的CT图像，我们总结，两种方式下混凝土破坏裂纹的发展及破坏形态与CT试验结果比较相近，验证了本文对混凝土进行单轴受压和单轴拉伸数值模拟的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2研究的意义

1.3 国内外研究现状综述

1.4论文研究内容

第二章 混凝土细观损伤破裂机理

2.1混凝土损伤理论

2.2混凝土的细观组成

2.3混凝土材料的破裂机特点

2.4混凝土细观损伤破坏过程机理分析

2.5本章小结

第三章 混凝土试件非线性有限元分析模型

3.1有限元分析软件的选取

3.2计算模型及网格划

3.3模型的加载方式

3.4本章小结

第四章 基于损伤力学的混凝土圆柱体试件破裂过程的数值模拟

4.1 混凝土的圆柱体试件细观模型建立

4.2数值模拟的材料参数与计算条件

4.3不同加载速率对混凝土圆柱体动压强度的影响

4.4不同加载幅值对混凝土圆柱体动压强的影响

4.5计算结果分析

4.6本章小结

第五章 混凝土圆柱体试件数值模拟的CT试验验证

5.1 混凝土圆柱体试件单轴压缩CT试验的目的

5.2 CT扫描原理与方法

5.3 试样制备与实验的过程

5.4 CT的扫描结果

5.5 本章小结

第六章 混凝土圆柱体试件单轴拉伸破裂过程数值模拟及CT试验验证

6.1 不同加载速率对混凝土圆柱体动拉强度的影响

6.2 CT试验的结果

6.3 圆柱体单轴拉伸数值结果与CT结果比较

6.4 本章小结

第七章 结论及展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢