+ 工程结构在服役期间可能遭受冲击荷载作用,从而发生结构失效,进而威胁到基础设施、人员和设备的安全。混凝土是目前工程结构中使用最广泛的人造建筑材料,但其在冲击荷载作用下极易发生开坑、层裂和震塌等破坏现象。为切实提升工程结构的抗冲击性能,可从材料和结构两个方面入手。在材料方面,可使用高性能纤维混凝土材料取代普通混凝土,其中超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)和活性粉末混凝土(RPC)是这类材料的典型代表。在结构方面,使用功能梯度复合结构能够充分发挥高性能材料的优势,从而提高结构性能。 本文研究工作围绕由具有高强特性的RPC和具有高韧特性的UHTCC组合而成的“强”-“韧”阻抗递减功能梯度复合板的冲击性能,综合使用试验研究、理论分析和数值模拟等手段,分别从材料层次、界面层次和构件层次开展讨论,本文的主要研究内容如下: 首先,在材料层次的材料动态力学行为的数值描述方面,本文对UHTCC的CSC和KCC本构模型进行了全面系统的研究,得到了适用于进行材料结构整体响应和局部响应分析的模型参数,提出了单元尺寸正则化问题和不同强度材料参数计算问题的处理方法,并结合相关的低速冲击、爆炸和侵彻等试验结果对标定后参数进行了验证。 其次,在材料层次的应力波传播方面,本文试验测试了应力波在UHTCC中的传播行为,发现压缩应力波在UHTCC的传播过程中具有显著的衰减现象,并结合光滑粒子伽辽金方法数值分析、多项式混沌展开方法和全局敏感性分析方法对影响应力波传播响应的相关不确定性材料参数进行了定量评估。 第三,在界面层次方面,由于界面是功能梯度复合结构的薄弱环节,本文基于混凝土断裂力学的相关原理提出了双材料界面剪切断裂性能测试新方法,并结合使用J积分方法理论推导、线弹性断裂力学数值分析、试验研究和数字图像相关技术分析等手段对该种界面剪切断裂性能测试方法进行了全面的评估。研究了浇筑工艺对UHTCC/RPC界面剪切性能的影响。研究发现使用湿法浇筑的UHTCC/RPC界面具有优异的性能表现。 第四,在构件层次的结构动态响应方面,本文基于功能梯度结构概念和应力波传播理论,设计了“强”-“韧”阻抗递减的UHTCC-RPC复合板,并使用落锤试验测试了复合板的在不同落重和落距下的动态响应。还结合使用双自由度质量-弹簧模型和数值仿真方法进行了相关的分析工作。研究发现UHTCC-RPC复合板具有优异的抗多次冲击性能,复合板在多次冲击下的跨中残余挠度小于RPC板。 最后,本文结合前序研究结果,从UHTCC的多尺度细观数值模型在层裂试验中的应用和使用压力-冲量曲线方法分析UHTCC-RPC复合板的爆炸响应两个方面对UHTCC材料及其复合结构的动态力学行为和响应开展了进一步的讨论。研究发现在压力和冲量相同的情况下,应力波的形状会显著影响材料的层裂失效行为。而使用单自由度质量-弹簧模型计算得到的UHTCC-RPC复合板的压力-冲量曲线具有较高的准确性和实用性。 本文研究的UHTCC-RPC功能梯度复合结构有望大幅提升工程结构的抗冲击性能,并在基础设施和防护工程中具有潜在的应用前景。
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