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聚丙烯纤维混凝土受拉损伤模型研究

作　者: 张媛媛
导　师: 娄宗科
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 聚丙烯纤维混凝土本构关系损伤力学细观层次随机场
分类号: TU528.572
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

混凝土材料的本构关系模型研究成果多样,各种经典力学理论均有涉及。损伤力学因考虑了微裂缝的存在,能够较为准确地描述混凝土损伤破坏特性而被广为推崇,但其在纤维混凝土中的应用还相对欠缺。纤维混凝土中,短切纤维作为散体呈乱向、随机分布,内部结构复杂。其力学特性的研究以试验手段居多,理论研究方面多采用断裂力学分析,少量关于损伤本构的研究则局限于宏观唯象方面,研究方法仍需改进。本文选择抗裂性能良好的聚丙烯纤维混凝土,从细观层次出发,考虑材料内部结构和宏观力学响应的随机性,以细观随机损伤理论分析聚丙烯纤维混凝土的本构关系。在已有的普通混凝土随机损伤本构模型基础上,提出了一种聚丙烯纤维混凝土的受拉损伤模型,以对材料本身的力学本质特性研究及相关结构设计提供参考依据。同时进行了两种强度等级下,聚丙烯纤维掺量分别为0 kg/m~3、0.3 kg/m~3、0.6 kg/m~3、0.9 kg/m~3、1.2 kg/m~3的混凝土单轴受拉试验,并以此验证理论模型与试验数据的吻合程度。本次研究得出以下主要结果:(1)采用串并联微弹簧模型模拟混凝土细观损伤单元,建立了聚丙烯纤维混凝土受拉状态下的细观物理模型。将细观单元的破坏应变假定为随机变量,以此描述聚丙烯纤维混凝土损伤产生、发展的随机性。并遵循经典损伤力学原理,建立了具有随机特性的受拉损伤本构模型。根据混凝土受拉应力-应变曲线的峰值点数学特征,识别模型中的细观单元破坏应变随机场参数。(2)聚丙烯纤维混凝土受拉试验结果表明:聚丙烯纤维的掺入一定程度上增加了混凝土的轴心抗拉强度,聚丙烯纤维对混凝土的抗拉弹性模量有不同程度的降低作用,掺量同为0.9kg/m~3的聚丙烯纤维混凝土,抗拉弹性模量降幅较大,水灰比0.5、0.4时降幅分别达到21.6%、16.7%。(3)本文识别的随机场参数与已有随机损伤模型参数量级、取值区间相符。随机损伤本构关系模型曲线与聚丙烯纤维单轴受拉试验应力-应变曲线吻合情况良好,说明该细观随机损伤本构理论适用于聚丙烯纤维混凝土材料;并证明了普通混凝土的细观损伤模型在模型参数修正之后,可以应用于纤维混凝土材料中。最后为工程应用简便,简化了该随机损伤模型,得出了与抗拉弹性模量、拉伸峰值应力及其应变有关的本构关系方程。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-26
  1.1 选题背景和意义  10-16
    1.1.1 混凝土的本构关系和损伤本构理论研究发展  10-13
    1.1.2 聚丙烯纤维混凝土的研究发展  13-15
    1.1.3 目的和意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-24
    1.2.1 混凝土本构关系模型研究现状  16-19
    1.2.2 纤维混凝土损伤模型研究现状  19-22
    1.2.3 混凝土随机损伤本构关系模型研究现状  22-24
  1.3 研究的主要内容  24-26
第2章聚丙烯纤维混凝土单轴受拉随机损伤研究  26-36
  2.1 聚丙烯纤维混凝土单轴受拉细观损伤机制  26-28
    2.1.1 细观单元假设  26-27
    2.1.2 宏观性能表述  27
    2.1.3 损伤机制分析  27-28
  2.2 聚丙烯纤维混凝土受拉随机损伤本构模型建立  28-32
    2.2.1 损伤变量  28-31
    2.2.2 本构关系模型  31-32
  2.3 聚丙烯纤维混凝土单元破坏应变随机场  32-35
    2.3.1 细观单元受拉破坏极限应变随机场  32-33
    2.3.2 随机参数的确定  33-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章聚丙烯纤维混凝土本构关系试验研究  36-47
  3.1 试验目的与内容  36
  3.2 试验原材料  36-38
    3.2.1 水泥  36
    3.2.2 细骨料  36-37
    3.2.3 粗骨料  37-38
    3.2.4 聚丙烯纤维  38
    3.2.5 水  38
  3.3 试验设计  38
  3.4 聚丙烯纤维混凝土基本力学性能试验  38-43
    3.4.1 试验方法  38-40
    3.4.2 试件制作  40
    3.4.3 轴心抗压强度试验结果与分析  40-41
    3.4.4 静力抗压弹性模量试验结果与分析  41-43
  3.5 聚丙烯纤维混凝土单轴受拉试验  43-46
    3.5.1 试验方法  43-44
    3.5.2 试件制作  44
    3.5.3 试验概况  44-45
    3.5.4 结果与分析  45-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章聚丙烯纤维混凝土随机损伤模型参数识别及分析  47-57
  4.1 随机场参数识别  47
  4.2 理论模型分析  47-53
  4.3 随机本构关系模型简化  53-56
  4.4 本章小结  56-57
第5章结论与展望  57-59
  5.1 结论  57-58
  5.2 工作展望  58-59
参考文献  59-63
致谢  63-64
作者简介  64

聚丙烯纤维混凝土受拉损伤模型研究

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