答辩陈述在线视频

各位老师各位同学

受水利系分委会的

学位分委会的委托

我来介绍武明鑫同学

博士学位论文答辩委员会

成员的名单

答辩委员会主席

中国水利水电科学研究院

陈厚群 教高

中国工程院院士

答辩委员的组成有

李庆斌 教授

清华大学水利系

张建红 教授

清华大学水利系

王进廷 清华大学水利系教授

陈振富 南华大学教授

现在我们就开始武明鑫同学的答辩

根据答辩的流程规定

我们先请答辩委员会的

秘书介绍一下

研究生的基本情况

武明鑫基本情况介绍

武明鑫 女

2005年考入清华大学

水利水电工程系

2009年毕业，获工学学士学位

同年以年级综合排名第七名

免试进入水利水电工程系

河川枢纽研究所

攻读水利工程专业博士学位

师从张楚汉教授

在校期间曾获清华大学

优良毕业生

国家奖学金

清华大学优秀学生干部

清华大学研究生优秀共产党员

水利系博士生

重点培养计划等奖励

其研究生学习阶段主要成绩如下

弹塑性力学 90

自然辨证法 88

结构动力学 90

断裂力学 89

有限元及变分法基础 80

岩土与结构工程数学方法 95

水利工程科学前言

系列讲座 86

高等水工结构 88

资格考试 83

文献综述及选题报告 92

现代科学技术革命

与马克思主义 85

博士生英语 免修

攻读博士学位期间

参与的研究项目有

混凝土动力破损性能的

细观仿真与试验验证

堆石混凝土材料

细观力学过程

及宏观综合性能研究

大岗山水电站

双曲拱坝

非线性动力特性

及抗震措施研究等项目

先后在Journal of Materials in Civil Engineering, Engineering Fracture Mechanics, Science China,

清华学报

水利学报等国际国内

著名期刊

发表论文11篇

其中以第一作者

发表SCI收录论文

4篇，EI收录论文

2篇，并有2篇SCI论文

投稿并已返回评审意见

基本情况介绍完毕

好

那下面一项我们就请

答辩人报告学位论文的

主要内容

大概在45分钟左右

尊敬的陈院士

各位答辩委员

老师同学们，大家上午好

我是清华大学水利系

博士研究生，我叫武明鑫

很荣幸今天在此

进行我的博士学位论文的答辩

我的论文题目是

混凝土动力冲击性能的试验

与细观数值仿真研究

我的指导教师是张楚汉老师

那么今天的报告

主要分为以下六个部分

首先是选题意义与文献综述

高坝地震工程的研究领域

有四大关键问题

一是地震动荷载的分析与确定

二是高坝坝肩强非线性损伤

断裂分析

三是混凝土与岩石材料

动抗力破坏

四是安全风险评价体系

在这四大关键问题当中

其中只有第二个问题

高坝坝肩强非线性损伤

断裂分析模型

目前已经发展的比较完善

而我的主要研究

在于第三个方面

也就是混凝土与岩石材料的

动抗力与破坏

混凝土作为一种非均匀的

准脆性材料

在损伤断裂破坏过程中

具有应变软化

损伤局部化的特征

而随着近年来

关于理论模型的发展

试验方法的进步

和分析手段的进步

那么对于混凝土

行为的描述模型

也经历了不断的发展

比如说由线弹性

断裂力学

发展为非线性断裂力学

由弹塑性力学

向动态损伤力学发展

那80年代

wittmann提出了

研究混凝土材料的

不同尺度的理念

那么对于混凝土的研究

也从宏观力学

开始向细观力学发展

细观是一个尺度的概念

它是指1e-3

到1e-1米

这样一个尺度范围

那么在细观尺度上

混凝土材料

就是由骨料、砂浆和交界面

所组成的三相复合材料

是一种非均匀的介质

那么所谓的混凝土细观力学

就是从研究混凝土细观结构

破坏的角度上

来分析混凝土的

这样一种宏观的

力学行为的力学方法

混凝土细观力学模型

从求解方式来看

大致可以分为两种类型

一种是将混凝土

看为一种连续的介质

那么就提出了连续介质力学方法

比如说像有限元模型

格构模型等

这种方法的优势

是可以直接引入

混凝土宏观力学理论方法

所建立的本构关系

比如说黏弹性的假设

损伤软化的假设

弥散式裂纹

率相关假设等等

有利于对混凝土

复杂力学行为的描述

那么另外一种

就是将混凝土看为一种

离散介质

发展了非连续的

介质力学方法

比如说典型的如

离散元模型

界面模型等

由于混凝土的破坏

实质上是由连续

变为不连续介质的过程

所以非连续介质力学

在模拟混凝土局部损伤

非连续位移、破裂发展等方面

表现出很大的优势

当然其他的方法

就结合了连续介质力学

和非连续介质力学的

这样一种求解方式

比如说刚体弹簧元模型

梁-颗粒模型等等

下面就具体的介绍几种

比较典型的混凝土

细观力学模型方法

第一种就是有限元模型

有限元模型是最常被用于

用来研究这种混凝土

细观力学行为方式的

它也有很多种类型

比如说随机骨料模型

随机力学特性模型等等

我们国内关于

混凝土细观动力学模型的提出

也很多都是基于有限元模型所进行

格构模型的主要的发展和贡献人

有van Mier和Bazant两位

其中van Mier是提出了

一种规则的格构模型

以随机排布的圆形骨料

引入了空间上的不均匀性

而Bazant则是考虑了混凝土

实际的结构

将节点置于骨料中心

提出了一种不规则的格构模型

并且发展为

近年来发展为

这样一种动力学的模型形式

那么第三种就是离散元模型

是1979年由Cundall提出的

它被广泛的应用于

混凝土和岩石材料的

这样一种力学行为研究

尤其是动力学研究

值得一提的是其中的颗粒元模型

在我们自己的工作当中

近年来被用于研究混凝土的

动力学行为

以及这个碱骨料反应等现象

这是我们所做的

有关霍普金森杆

冲击劈拉试验的试验

和数值仿真的对比

无论是从动力承载力上来看

还是从破坏模式上看

都得到了很好的符合和验证

那么我的本文的

主要的技术路线

就是从细观的角度和宏观的角度

相结合的方式

对混凝土的动力冲击性能

进行研究

也就是说

在细观层面上

以颗粒元建立细观力学模型

以这种细观结构的破坏过程

对宏观的本构关系进行机理分析

而宏观通过试验数据

和工程经验所得到的

这样一种本构关系

对我的细观力学模型进行验证

在这两方面分别完成的工作

有：细观方面进行了

混凝土静动力抗拉强度的影响研究

完成了混凝土的冲击试验的

全系统的全过程的仿真

以及提出了一种颗粒元-

有限差的耦合模型

另外研究了混凝土初始静载

对动力强度的影响

在宏观试验方面

完成了混凝土梁落锤冲击试验

和无粘结预应力

混凝土梁的冲击试验

那么分别在宏观和细观方面

这个梁的冲击试验

和全过程的仿真相互验证

无粘结的预应力

钢筋混凝土梁冲击试验

由颗粒元-有限差

耦合模型所完成模拟

这两个方面分别研究了

混凝土的动抗力特性

和这个钢筋和混凝土之间的

相互作用过程

这是完成的主要工作内容

那么本文的主要创新点

就有以下四个方面

首先一是系统的完成了

混凝土梁落锤冲击试验

提出了梁的惯性力、变形力

与断裂能的划分模式与计算方法

并且建立了细观颗粒元落锤-

混凝土全系统仿真模型

对试验成果进行了

全面对比

验证了模型的合理性与精度

第二点是创造性的对无粘结

预应力混凝土梁

在冲击荷载下的动力特性

进行了试验研究

同时建设了颗粒元-

有限差耦合模型

对试验进行仿真分析

得到了混凝土损伤断裂

与预应力钢筋塑性屈服的

相互作用规律

三是对混凝土初始静载

对动强度的影响进行了研究

从能量分析的角度

和细观破坏模式方面

阐明了其影响机理

四是基于试验和细观仿真对比

研究混凝土直拉、劈拉、

弯拉静动力强度的关系

修正了已有的统计公式

阐明其力学机理

那么下面就具体的介绍一下

博士研究的主要几项工作

第一个是介绍混凝土

细观颗粒元模型及其验证

颗粒元以颗粒单元

离散计算区域

假设颗粒之间具有粘结的话

那么就可以以粘结的运动

以单元的运动、粘结断裂

以及颗粒的滑移

来模拟材料的变形

细观损伤

开裂和裂纹扩展的过程

而且颗粒元可以进行

大变形模拟

求解动力方程，直接考虑了

惯性力的作用

这个左下图

是颗粒元平行粘结的

这样一种简要的一个示意图

在颗粒元平行粘结模型当中

就有两套的弹簧刚度系统

其中一套系统

就是颗粒元单元

本身所具有的刚度

第二个是

假设在两个单元中间的

交界面上

具有一系列的平行弹簧

所以这样一个模型

不但可以传递力的作用

还可以传递弯矩的作用

在这样一个模型当中

当这个交界面上的应力

超过了我们所假设的

这种弹簧的强度的时候

那么粘结断裂

就以这个粘结的断裂

代表材料的

直观的代表材料的破坏过程

这种颗粒元的能量

主要包含四种方式

第一种是外力做功

包括重力做功和外荷载做功

第二种能量方式是应变能

是由储存在颗粒

和平行粘结中的变形能量组成

也就是前述的

所谓的两套弹簧系统

变形所储存的能量

第三种是动能

是指颗粒的平动和转动动能的和

也就是对应着

这个颗粒单元的运动

第四种是摩擦做功

定义为接触点处

由颗粒发生滑动摩擦

而产生的能量消耗

也就是说当材料破损的时候

那么在这个破损面上

产生了一些摩擦

是有能量的消耗的

为了建立这样一种

混凝土的细观模型

我们需要将混凝土视为

由骨料、砂浆、交界面

三相所组成的非均匀系统

想要建立这种颗粒元的细观模型

就需要进行细观结构的预处理

和参数反演工作

第一步就是基于背景网格的

这种随机的非多边形

随机的多边形的骨料投放

那么所谓基于背景网格

就是以这样一种网格节点

来记录这个位置

是否被骨料所占用

这个每个网格节点中

所具有它自己的状态方程

状态矩阵

那么在记录下来

具体的每个骨料位置的时候

下一步就是来识别

在占有这个位置的

细观颗粒单元

将这个颗粒单元

赋予骨料的参数

那么像其他位置的一些颗粒单元

我们赋予的就是砂浆的参数

在骨料和砂浆单元之间的

这样一个粘结的参数

我们就赋予这个

交界面的粘结的参数

在识别之后

由于这个颗粒元的细观参数

我们没有办法

从这个宏观试验当中

直接得到

所以我们需要进行这个细观参数的

参数反演

那么根据我们前面的工作

可以得到在细观参数

包括这个弹簧的刚度

弹簧粘结的强度

和这个宏观的试验参数

包括弹性模量

泊松比

以及拉、压强度之间

它是具有一定的相关关系的

那么通过和这个宏观试验结果

对比的情况下

我们可以得到这个细观参数的

最优的组合解

由于我们进行的是这种

二维的简化的模型

和这种三维的

实际的宏观试验的

直接对比的方法

所以这个二维简化的影响

实际上已经在

这个参数反演的过程中

得到了修正

为了验证上述的这种

细观颗粒元的模型

我们就以这个宏观试验

和这个模型对比的方法

进行了一系列的研究

首先是完成了

这个混凝土轴向拉伸

劈裂抗拉和弯曲试验的

这样一种试验研究

在这个试验当中

我们采用同样的混凝土材料

浇筑的是具有相同的受拉

断面面积的三种

直拉、劈拉和弯拉的试件

完成的这种静力试验的结果

表明混凝土的直接拉伸强度

劈裂抗拉强度

和弯拉强度

分别是3.2MPa

3.0MPa和4.4MPa

这个相关关系是符合

这个学者基于大量的试验

所统计的三种抗拉强度之间的

经验关系的

那么为了模拟以上的

三种抗拉强度试验

我们就建立了

这样的细观的颗粒元的模型

这是轴向拉伸的试验模型

劈裂抗拉的试验模型

和弯曲的试验模型

在这个模型当中

深色的区域

代表了是这种骨料的单元

浅色的区域是砂浆单元

那么中间是赋予的

交界面的这样一种细观参数

所以这是一种三相细观的

颗粒元模型

下面的是参数反演

所得到的细观参数

值得强调的是

在这个不同的抗拉试验当中

我们使用的是相同的一组

细观参数，所以说通过这样一个

细观颗粒元的模拟

是可以从机理上

反应不同加载方式

对于这个混凝土抗拉

强度的影响的

这是试验和数值仿真的

破坏现象的对比

可以看到无论是试验

和数值仿真当中

都是得到了

这样一种单一裂纹

破坏的模式

是符合

结果符合的很好

进一步基于这个

细观颗粒元模型

还对混凝土的动力的

抗拉强度进行

就是三种不同的

动力抗拉强度

进行了一系列的研究

那么这个是

这个曲线就是我通过数值仿真

所得到的动力增强系数的曲线

这些散点

是我们完成的一些

动力试验的一些结果

可以看到无论是静力强度

还是动力的这种增加系数的对比

数值仿真和试验

都符合的很好

那么下面的这张表

就是我根据

我所得到的这样一种动力增强系数

对于我们经常所用的

三种抗拉强度的一个统计

平均的一个经验公式

进行了一个修正

分别给出了

三种不同抗拉公式的

这样一种经验公式

可以供以后的工程参考

那么对于这个

上述的研究表明

细观颗粒元模型

具有足够的精确度

可以得到混凝土

宏观试验强度的结果

但是到这一步也仅仅是一个

初步的验证

在后面的有关混凝土落锤试验

以及预应力钢筋混凝土的

模型的试验和仿真的对比当中

会得到进一步的

更加深入的验证和分析

那么下一项我就来汇报一下

混凝土梁动力冲击试验

和全过程仿真的这样一种

模拟研究工作

混凝土梁的动力冲击试验

是用这种落锤的装置完成的

在这个试验当中重力落锤

有四个不同的质量

1kg到4kg

有两种不同的锤头材料

分别是铝和橡胶

那么在这个试验当中

落锤从不同的高度下落

对这个混凝土梁进行冲击加载

梁的尺寸是400×100×100

标准的立方体抗压强度是

32.4MPa

这是试验的测量装置

整个这个梁的跨度是300mm

在这个试验当中

我们使用力传感器

加速度传感器

以及应变片对试验当中的

力的时程以及竖向位移时程

和混凝土的受拉受压

应变时程进行了测量

另外还记录了

最终的裂纹形态

完成的主要的工况有

这样11个

包括有相同的质量

不同高度的组合

和不同的质量相同高度的组合

以及不同的

不同锤头的组合

在这11个工况当中

每个工况都完成了

2到3个试件的重复性试验

那么就以4kg重锤

不同高度的冲击时程结果为例

来介绍一下这个测量的情况

那么左边的是铝锤头的

在不同高度下的力时程的

这样一个冲击结果

每条曲线是3个试件测量的平均值

这个阴影是误差线

也就是代表了

这个试验的离散程度

可以看到无论是铝锤头

还是橡胶锤头

这个试验的重复性

都非常的好

那么随着这个落锤高度的不断的增加

这个加载的速率不断的增加

而且这个两个动力承载力

也不断的增加

在这个橡胶锤头

有类似的规律

另外就是通过变换

这种锤头材料

我们橡胶锤头

得到了更低的这样一种

加载速率的冲击力学的特性

这是测量得到的

混凝土受拉、受压应变的时程

左边的是铝锤头的结果

不同的颜色代表的

不同的下落高度

那么可以看到

在冲击过程中

混凝土的受拉应变

先是增加

再达到一定的极限拉应变的

情况下

这个应变值表现的是剧烈增加

也就意味着

这个受拉应变片被

由于裂纹的产生

受拉应变片被拉断

所以说这个拉应变

也代表了混凝土的

这样一种变形和起裂的过程

那么下面是压应变的时程

在这个混凝土受拉起裂之后

压应变还会进一步的增加

但是由于裂纹的发展

发展到受压区之后

这个受压的应变片也是被拉断

所以这个裂纹

也有一个急剧增大的过程

所以说对于这个混凝土的

受拉、受压应变时程来说

它反应的是混凝土

从起裂到裂纹贯穿的

这样一种断裂过程

那么橡胶锤头也有类似的情况

还值得一提的是

在这个较低的应变率

较低的落锤高度

也就是说应变率较低的情况下

这个混凝土的

虽然是裂纹起裂了

但是它最后并没有贯穿

就是在较低应变率情况下

发生的试验现象

那么为了分析

我前面测量得到的

力-位移的这样一种时程结果

就对这个试验的惯性力

及断裂能进行进一步的分析

首先这个混凝土

我通过力传感器

所测量得到的总的荷载

可以分为两个部分

第一个部分

是由于这个梁动力冲击

运动所对应的

这样一种等效的惯性力部分

第二部分就是真正引起

这个梁产生变形

以及断裂的

这样一种变形力的部分

所以我假设这个梁的变形

满足一种线弹性的

挠度曲线

在有这样的假设的情况下

可以通过积分

得到这个惯性力的大小

那么从这个总荷载当中

把惯性力减掉

剩下的就是变形力的情况

第二步就是进行能量的划分

就是像这个图里面

Pδ曲线所表示的

我们认为这个总荷载所做的功

也就是这个曲线下面的总面积

是整个试验过程当中

混凝土梁所吸收的

总的能量

那么这个变形力

所做的功对应的是

是这个混凝土断裂

所消耗的能量

也就是断裂能

惯性力所做的功

就是动能的部分

再有上述的这样一种

变形的假设的情况下

我还可以通过积分

得到这个混凝土梁

在试验当中

它所具有的

这种动量的大小

那么和整个落锤输入的

冲量的这样一种对比

就可以分析出

这样一种平衡关系

我们可以看到

在这个试验当中

这个冲量和动量的平衡关系是

是基本得到满足的

那么在这种锤子的质量

比较小的两个工况下

这个冲量稍微大于了一点这个动量

说明在试验当中

可能产生了一点反弹

这样一种试验现象

在这个动量冲量的平衡当中

是可以得到反应的

为了模拟上面所介绍的

这样一种试验结果

就提出了这种混凝土

落锤试验全系统模型

这个系统模型

不但对这个混凝土试件

进行了三相细观的

这样一种离散

对于这个落锤和传感器

和垫片系统

也进行了相应的模拟

这是混凝土梁主要的细观参数

基于这样一种模型

现在采用相同的

一组细观参数的情况下

我使这个落锤

从不同的高度

不断的下落

那么就得到了

就可以和不同高度的

这样一种试验进行对比

这个是

这个动画就表示了

这个全系统的

这种模拟的过程

和这个试验当中的

这样一种对比

模拟的试验是铝锤头的试验

4kg的重锤

在四个不同下落高度下的

下降的这样一种试验

对比的是力时程

竖向位移时程

以及拉压应变时程

还有断裂能的大小

那么这个就是试验和这个

数值仿真的

这样一种对比

其中的实线是

数值仿真的结果

虚线是这个试验的结果

这个是力时程

这是位移时程

不同的颜色

代表的不同的高度

可以看到在这个力-位移的

这样一种动力响应过程当中

这个数值仿真对试验的模拟

符合的非常好

那么这是四个不同高度之下

拉压应变的时程

数值仿真成功的得到了

这种混凝土梁的拉压应变

也就意味着

它成功的模拟了

这个混凝土的

断裂的过程

从起裂到裂纹贯穿的过程

甚至包括这个裂纹的发展速度

也是得到了

这个正确的模拟

那么基于上述的

这种全过程的模拟方法

就可以对更高的加载速率的

落锤试验结果进行预测

这个统计了所有的

有关试验和数值仿真的

这样一种结果

我们提出了两种增强系数的概念

首先第一种是承载力增强系数

它是总的荷载

和这个静力承载力的

这样一个增长的比值

随着这个加载速度的增加

总的这种承载力

是不断增加的

基本上呈现一种线性的

增加的一种关系

这种黑色的点是试验的结果

红色的点是我模拟试验的结果

蓝色的是所预测的

这样一种数值仿真的结果

这个增强代表着

随着这种加载速率的增加

我的整个混凝土梁这个结构

它的总承载力

和这个总耗能的增加

那么第二种是

比较常见的这种动力增强系数

就是DIF

在这里被定义为

是这种变形力

变形荷载和这个静力承载力的

这样一种增强

那么它是随着应变率的增加

而增加的

在这里除了这个试验

和这个数值仿真以外

还和这个

我们常见的这种修正的CEB的

统计公式进行一个对比

可以看到无论是从

一般的统计规律上来看

还是试验和数值仿真来看

都符合的很好

对这个整个试验系统的

这种能量的组成进行分析

左边这个图是试验当中

实测的这样一种

一个结果

横坐标是我们这个落锤

它所具有的

初始的整个系统的总能量

纵坐标是在试验当中

我混凝土梁所吸收的

所吸收的总能量

所以可以看到

在试验当中实际上

这个混凝土梁吸收的能量

还不及这个总能量的一半

就一半左右吧

至于这一部分消耗的能量

经过分析我们发现

实际上是由于在试验当中

那个垫片受到冲击

产生塑性变形

它消耗大量的能量

而且为了

完成这个试验的重复性

我们每次试验都要

必须要更换

这个新的垫片

用来保证这一部分能量损耗

是没有什么差异的

那么也是基以这样一种

有这个垫片能量损耗的

一种考虑

所以我们建立了

这种全系统的细观的模型

也是同样考虑了这样一个

加载系统的能量损耗过程

所以这就是数值仿真

所得到的

这个系统能量转化过程的

这样一种时程

黑色的这条线是

整个系统的总能量

也就是相当于

这个落锤所输入的总能量

他在整个模拟当中

基本上是保持一个稳定的

那么在这个模拟当中

落锤的能量是下降的

混凝土的能量它受到加载

当然是增加的

也可以看到这个加载系统

也就垫片所吸收的能量

实际上在试验结束之后

它也是非常可观的

它确实是有一部分

很大的能量损耗

进一步的来分析

这个混凝土的能量的划分

那么在颗粒元当中

由于我们在颗粒单元之间

是由弹簧所粘结的

它不像在试验当中

它产生了一个新的裂纹面

在这个裂纹面的产生过程中

实际消耗了断裂能

在颗粒元当中

这个原来储存在粘结当中

也就是这套弹簧当中的应变能

在断裂之后

它代表了材料的破坏

但是这个能量是会转化成为

这样一部分的动能

就是它振动这个

原地振动的这样一部分动能

那么所以我们就要提出

这样一个转化模式

将这个颗粒元的能量模式

向这个传统的断裂能的

能量模式转化

这样才可以进行数值仿真

和试验的对比

那么转化之后的结果

就是这样

这是一个能量过程的时程

总能量、动能和断裂能

可以看到在四个高度下

这个能量的转化模式

也是比较成功的

有一定的这样一种可比性

之前介绍的是一个

素混凝土梁的

这个动力冲击试验

和全过程的仿真

那么下面介绍一下

无粘结预应力混凝土梁的

落锤试验和模拟的工作

这个无粘结的预应力混凝土梁

和上面的素混凝土梁

从尺寸和这个加载的机械上

是一致的

不同的是

我在这个混凝土梁的

这个沿着轴向的方向

预制了一个偏心的孔

这个孔的尺寸是16mm

偏心距是26mm

在试验当中

将这个预应力钢筋

穿过这个孔

以千斤顶加载预应力

然后两边是以垫片或螺帽

进行锚固

在试验当中

使用的预应力筋有两种

一共是公称直径比较大的

14mm

所谓的相应的配筋率是2.0%

另外一种公称直径比较小的

8mm的配筋率是0.7%

在这个冲击荷载的作用下

这两种不同的钢筋

就会表现出

不同的屈服的状态

也就是有不同

也对应着不同的这个

结构的这样一种力学响应

下面会分别介绍

在测量当中

我和之前的素混凝土的

上一章的素混凝土的试验

也比较接近

除了用传感器

和力传感器

和加速度传感器

测量了力时程

和竖向位移时程

用应变片测量了混凝土的

受拉受压的应变时程以外

在这个钢筋里面

也贴了两张应变片

并且就是放在了

这个预制孔里面

所以我们在试验当中

可以测量得到

这个钢筋的动应变时程

然后另外还用仪器

测量了这个在梁冲击破裂之后

底面的平均的裂纹宽度

这是完成的主要的工况

首先是有两种不同的配筋率

就是使用了

两种不同的预应力钢筋

其次是变化的参数有

考虑了钢筋的

有效预应力的影响

不同的下落高度冲击

所以考虑了

这个加载速率的影响

然后另外就是对同样一个试件

进行反复的多次的四次加载

研究了这个多次冲击作用下

这个混凝土梁的剩余承载力的变化

那么首先第一个讨论的就是

钢筋屈服状态

对破坏模式与承载力的影响

这个左图是这个钢筋

配筋率较大

为2%的情况下

这样一个钢筋的动的

应变时程

可以看到在这个冲击的过程当中

实际上这个钢筋是

主要承受这个拉应力的

但是在这个冲击结束之后

这个钢筋的应变

都得到了恢复

也就是说对于这一种

公称直径较大的钢筋来说

它在试验当中

始终都是保持线弹性的

而且有效预应力越大的

这样一种情况下

它的最大的拉应力

是最小的

那么对于这种

公称直径较小

配筋率较小的试件

这个钢筋同样颜色

比如说这个红色的两条曲线

代表了同样一根钢筋上

两个应变片不同的测量结果

那么可以明显的看到

这个一个结果是

较小的应变

而另外一个应变是

有一个明显的没有恢复的

塑性应变

证明了这个钢筋

产生了这种局部屈服的现象

和上一图是相对应的

这个左图是钢筋线弹性情况下

混凝土梁的

受拉受压应变时程

右图是钢筋屈服的情况下

混凝土的受拉受压应变时程

上一章我们知道

根据混凝土的拉压应变时程

可以知道混凝土的断裂过程

那么可以看到

在这个混凝土起裂的情况下

这个预应力混凝土和素混凝土

是没有什么本质上的区别的

他们的极限拉应变

也不随着有效预应力变化

以及这个钢筋的存在

有什么变化

但是当钢筋存在的情况下

如果它保持了线弹性

那么混凝土会在0.9ms以后

裂纹贯穿

这说明钢筋的存在

极大的延缓了

预应力的存在极大的延缓了

这个裂纹的扩展过程

当这个钢筋屈服的情况下

裂纹是很快的

在0.4ms左右就贯穿了

说明钢筋屈服

不能有效的控制这个裂纹的发展

和素混凝土相比

这个承载力和这个位移

位移时程的对比来看

首先是预应力钢筋混凝土

和素混凝土的承载力

在第一个峰值上

只是一个略有增加

但是由于钢筋的存在

在这个冲击结束之后

这个钢筋的变形恢复

在试验当中可以测量得到

一个明显的一个

第二次的力的反弹

但是素混凝土它的承载力

肯定就是断掉了就没有了

对于位移来说也非常的明显

在这个混凝土断裂之后

素混凝土

是呈现了一个

无限增大的刚体位移

这样一个变化的形式

但是对于这个

预应力混凝土来说

钢筋它约束了

混凝土的变形和断裂

在最后后面有一个

位移的反弹的现象

无论是这个钢筋

是线弹性还是屈服的情况

这两种形式都是存在的

另外和素混凝土相比

这个能量的过程

也是有一定的变化

在这个素混凝土断裂以后

由于这个

它存在着一个刚体的

这样一种位移

所以这个混凝土断裂之后

仍然存在着一个

比较大的动能

另外一部分能量

是损耗到了

这个裂纹面的产生

这个断裂能上

但是对于这个预应力

钢筋混凝土来说

钢筋的存在

虽然在这个动力的冲击过程中

动能也是增加的

但是由于钢筋限制了它的位移

所以它的这个动能

会逐渐的下降

就转化成了

其实是钢筋的进一步的变形

也就是它这个

应变-断裂能的

这样进一步增加

最后这个应变-断裂能

和总荷载的大小是一样的

也就是说

对于这种预应力混凝土来说

这个能量是消耗于混凝土断裂

钢筋的塑性变形

以及最终这个钢筋压缩混凝土

这一部分构件

还会储存一部分能量

所有的总能量

都被这个整个试件所吸收

另外一个预应力钢筋混凝土

和素混凝土最大的不同

就是它可以承受多次冲击的

这样一种能力

在这个四次反复的冲击作用下

当这个钢筋保持线弹性的情况

可以看到虽然这个钢筋的

最大应变是在不断增加的

但是它始终还都是可以

这个变形恢复

说明就可以有效的

这种压缩混凝土

限制这样一种位移

但是当钢筋屈服的情况下

随着这个冲击次数的不断增加

它的塑性变形会不断的增大

这样一种不可恢复的变形

就将会引起混凝土的

有效预应力的损失

以及裂纹的不断张开

这是相对应的承载力、位移的情况

当这个钢筋保持线弹性的时候

四次冲击结束仍然有70%的

剩余承载力

而且位移结果也是较为稳定的

但是一旦钢筋屈服

在这个混凝土的承载力

是迅速的下降

而且在从这个位移的形式上

明显的能看出

这个结构发生了软化

相对应的也就是

这个裂纹发展的情况

这是两个底面

裂纹宽度的测量

对于公称直径较高

配筋率较高的情况下

混凝土的裂纹宽度

从第一次冲击的0.07mm

发展为0.15mm

就这个裂纹的发展得到有效的控制

但是当钢筋屈服的情况下

这个裂纹宽度

从0.13mm

就发展为了2mm

第四次已经超过了这个仪器的量程

这个结构最终是失效的

这个和钢筋的这个塑性应变

不断增加的

这样一种结果是相对应的

那么为了模拟以上的

这个预应力钢筋混凝土梁的

冲击试验

我们提出了颗粒元-有限差的

耦合方法

也就说

分别将混凝土和钢筋

由颗粒元和有限差模型来模拟

这个是根据材料的

分区划分出了不同的子域

另外在这个子域边界上

这两个程序之间要相互传递

速度和力的数据

这是首次将这种

将这种颗粒元-有限差的

耦合方法应用于

连续体的塑性屈服

和非连续体的损伤

断裂的相互作用问题的研究

具体的我们所建立的

这样一种耦合的模型就是这样的

实际上这个细观颗粒元的模型

是基于上一章

所介绍的那个素混凝土的

全系统模型所建立的

然后引入了这样一个

有限差分的模型

用来模拟这个钢筋的

这样一种作用

在这个两个模型的交界上

是以这个墙单元

向这个颗粒传递速度

向这个节点传递这种节点力

所以由于是基于之前的

全系统模型

所以这个细观参数

颗粒元的细观参数

和这个上一章所介绍的

素混凝土全系统模型

是完全相同的

然后预应力钢筋

被离散为21个两节点的杆单元

采用一种塑性强化的本构

这里面有一条虚线

是这个我们做了一个

直接拉伸的

就钢筋的

单轴拉伸的试验

然后按照它这个试验的形式

就拟合了这样一个强化的一个

本构方式

所以用这样的一个模型

模拟的就是8mm钢筋

从这个5kg的重锤

在1m和2m不同

落锤高度的这样一种试验工况

这是钢筋动位移的结果对比

可以看到在这个左边的

1m的这样一种情况下

钢筋是保持线弹性的

在数值仿真和试验当中

都得到了同样的结果

然后对于这个2m的情况

钢筋试验当中

是产生了这种局部屈服

就是两个应变片的结果

是一个大一个小

那么我们数值仿真的结果

大致相当于这两个应变片

测量结果的平均值

这是荷载和位移的结果对比

1m、2m的荷载位移的

这样一种力学响应

符合的也不错

然后这里是混凝土

拉压应变时程的对比

对于这个有效

一开始的初始的

这个预应力的一个模拟

以及拉应变的

拉应变的增加和

这个混凝土的起裂

这个数值模型和试验结果

都符合的比较好

然后对于压应变

比较遗憾的是

在这个最后在试验当中

这个受压的应变片

实际上是被拉断的

所以它有一个

这样一个向上的

增大的这样一个过程

但是在数值仿真当中

这个受压区有一点

就应力集中

所以它那个裂纹的产生

不是一个拉断的过程

所以在这个后面

稍微有一点不符合

另外从前面的分析当中

我们可以猜测

在一个试验过程当中

混凝土梁受到冲击

它产生了裂纹

而且裂纹应该是一个发展

并且随着后面钢筋的回压

这个裂纹会有一个收缩的过程

但是在试验当中

我们只能测量得到

在试验结束之后

这个混凝土梁底的

这样一个最终的裂纹的情况

在这个图里面

以这个红色的虚线来表示的

那么在数值仿真当中

我就可以实际的测量得到

这个试件

它的这样一个起裂的时刻

裂纹发展的过程

甚至这个钢筋压缩它

它的这个裂纹

这个回缩的这样一个过程

最终也会有一个

所残留的最终的裂纹

可以看到就是后面的这个对比

这是仿真的结果

这是试验的结果

也是具有一定的可比性

从这个上述的

所有的对比来说

整体而言这个颗粒元-

有限差耦合模型的数值仿真

和这个预应力钢筋混凝土的

试验结果符合良好

反应了这种钢筋屈服

和混凝土断裂的

这种非线性的相互作用过程

可以说这个模型

得到了验证

而且也应该是

应用前景非常广阔

最后一块就是介绍一下

这个关于初始静载

对动力强度的这种影响研究

所谓这个初始静载

就是指混凝土坝

或桥梁等建筑物

在自重、水压等

静力荷载作用下

它处于一定的初始应力状态

那么这个研究初始静载

在预先受到静力

拉应力的情况下

动力强度的变化

就是初始静载研究的

主要的内容

有很多的众多的这种试验的结果

我们那个水科院、河海大学

已经完成了很多系列的试验

证明动力强度

随着初始静载

是先增加后降低的

这样一种试验规律

就是也是非常明显

无论是弯拉强度

还是直拉强度

都有这样一个规律

那么我的工作

就是基于这个细观颗粒元的模型

进行这种变速率的

加载的弯曲试验

对这个初始静载的影响

进行一个数值仿真方面

从细观层面和能量的角度

对它进行分析

所以选取了不同的

这种预静载的水平

这是一个静力的

受拉的应变的曲线

我的初始静载的水平

包括了这个静力加载的

这种线弹性阶段

以及这个塑性的应变软化阶段

当我静力加载到一定的这个

静载水平的时候

我就会提高加载速率

进行一个动力加载

然后测量它的动力强度的

这样一个变化

那么研究的结果就表明

当初始静载水平

处于静力的线弹性阶段的时候

动力的强度是增加的

这个是动力强度的

峰值的情况是增加的

当这个静载水平为

静力加载的

损伤软化阶段的时候

动力强度是下降的

那么这两个阶段的

临界点就是看

预静载是否达到了

混凝土静力线弹性的极限

这是基于这个细观颗粒元

所模拟的这个加初始静载的

这样一个过程

可以看到静载为0%的时候

是一种无应力的状态

静载66%的时候

它产生了一个明显的

拉压的这样一种力链的现象

所以这个细观颗粒元的

对能量的分析结果

表明这个静力预载作用下

应变能增加

然后当它断裂之后

这个动能也随之增加

总能量是增加的

而当这个初始静载

已经处于混凝土梁的损伤

和软化阶段的时候

它产生的这种初始裂纹

这个随着初始静载的增加

初始裂纹不断的发展

会对这个结构产生一定的损伤

这个力链的形态

也产生了一个破坏

那么从能量的角度上

也可以看到

这个是线弹性阶段的

这个初始静载时

它有一个应变能的增加

但是一旦如果

已经产生了初始裂纹

这个应变能是

马上有一定的释放的

所以这个总能量

也是一个下降的过程

所以这个是动力增强系数的

一个变化过程

它和总能量的变化过程是一致的

都是随着初始静载的增加

这个动力增强系数

先增长后降低

而这个分界点

就是看初始静载

是否达到了

静力的线弹性极限

这个规律是符合前面所介绍的

一般的试验规律

那么最后就是进行一下

结论与展望

本文的主要结论有以下四点

首先是基于颗粒元平行粘结模型

模拟了混凝土直拉、劈拉

弯拉强度试验

数值和试验结果符合良好

证明了颗粒元细观模型的有效性

根据数值模拟结果

还分别给出了直拉、劈拉

弯拉强度的动力增强系数统计公式

第二点是在宏观动力试验方面

建立了稳定可靠的重力落锤

冲击试验测试系统

系统的完成了混凝土梁

和无粘结预应力钢筋混凝土梁的

落锤冲击动力性能试验

得到了一系列关于混凝土梁

动力性能的规律性认识

包括惯性力、变形力

断裂能的试验分析和规律

以及混凝土损伤断裂

与预应力钢筋变形屈服的

相互作用规律

第三点是在颗粒元数值仿真方面

建立包括冲击落锤-

混凝土梁的全系统模型

并与宏观动力试验相互比较和检验

得到了良好的符合

验证了模型的合理性

提出了颗粒元-有限差的耦合模型

将这一连续-非连续的耦合模型

用以模拟预应力钢筋混凝土梁

动力冲击试验

得到了钢筋塑性屈服

和混凝土损伤断裂的

相互作用过程

并取得了基本结果

模型应用前景广阔

第四点是基于颗粒元对

混凝土静动力弯拉试验进行模拟

从能量与细观的角度

解释了初始静载

对动力强度影响机理

需要进一步开展的工作

有以下三点

第一点是进一步研究

混凝土荷载环境

及荷载历史对动力强度的影响

比如说含水率

反复加卸载条件下的影响等等

第二点是基于细观颗粒元模型

对更多混凝土材料动力试验

进行研究

比如说高速侵彻试验等

第三点是改进颗粒元-有限差

耦合的钢筋混凝土

相互作用模型

这个模型的应用前景

应该是非常广阔的

可以被用于有粘结的

预应力钢筋混凝土结构等等

而且也可以应用于

锚索加固的边坡

在动力荷载作用下

产生变形，甚至滑坡

大变形破坏的这样一些

分析的研究当中

那么在博士期间

完成的主要研究成果

有论文11篇

其中第一作者论文有8篇

SCI收录4篇

关于这个落锤试验

和仿真的研究工作当中

是连续2篇发表在

Engineering Fracture Mechanics

工程断裂力学的这样一个杂志上面

然后另外中文的文章

EI收录2篇

有2篇SCI文章

现在是在审

已经有审回意见

以上就是我的主要汇报内容

请各位老师批评指正