【摘要】：混凝土材料是最重要的工程結(jié)構(gòu)建筑材料之一。由于混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中經(jīng)常承受動態(tài)沖擊荷載,混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能一直是工程結(jié)構(gòu)研究關(guān)注的重要課題。SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)備是被廣泛用于測試各種材料動態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。然而,在混凝土材料的SHPB實(shí)驗(yàn)中,許多參數(shù)存在著不確定性,這些不確定性會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成重要影響。本文首先開展了素混凝土材料的SHPB實(shí)驗(yàn),通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的有效性;其次,建立了數(shù)值模型并把數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性;然后,基于數(shù)值模型對素混凝土材料SHPB實(shí)驗(yàn)中的端面摩擦效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了敏感性與不確定性分析;最后,基于數(shù)值模型對素混凝土材料SHPB實(shí)驗(yàn)中的整體參數(shù)進(jìn)行了敏感性與不確定性分析。本文的主要研究工作如下:(1)完成了兩種強(qiáng)度的素混凝土材料在3種應(yīng)變率下的SHPB實(shí)驗(yàn),并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對實(shí)驗(yàn)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。首先,介紹了SHPB實(shí)驗(yàn)裝置的主要組成部分、基本原理;其次,描述了兩種強(qiáng)度的素混凝土材料的制備過程;然后,完成了兩類素混凝土材料在3個應(yīng)變率下的SHPB實(shí)驗(yàn),通過對實(shí)驗(yàn)記錄的波形進(jìn)行三波分析驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的有效性,得到了6種工況下素混凝土材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和對應(yīng)的應(yīng)變率;最后,分析了材料強(qiáng)度和應(yīng)變率對動態(tài)力學(xué)性能的影響,包括動態(tài)抗壓強(qiáng)度、動態(tài)吸能特性、破壞模式和高速攝像下的裂紋擴(kuò)展。(2)建立了素混凝土材料SHPB實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模型,并通過與實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證了模型的有效性。首先,建立了與本文實(shí)驗(yàn)尺寸相同的SHPB實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模型;其次,介紹了用于模擬素混凝土材料的Drucker-Prager材料模型參數(shù)的意義及其取值;最后,對數(shù)值模型進(jìn)行求解和分析,分析了壓桿中應(yīng)力波的傳播過程,驗(yàn)證了應(yīng)力波傳播的一維性,對比了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到的三個波形,驗(yàn)證了加載過程的一致性,對比了6種工況下數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。(3)對素混凝土材料SHPB實(shí)驗(yàn)的端面摩擦效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析和不確定性分析。首先,對端面摩擦效應(yīng)進(jìn)行了應(yīng)力波傳播分析,將端面摩擦效應(yīng)總結(jié)為三個參數(shù);其次,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的操作過程和試件的測量結(jié)果對不確定性的端面摩擦效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行區(qū)間表示;然后,根據(jù)全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計和極差分析法對6種工況下的端面摩擦效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,討論了參數(shù)之間的交互作用并給出了參數(shù)的敏感性排序;最后,使用非概率區(qū)間分析算法對端面摩擦效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了不確定性分析。通過對比不確定性分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了該方法用于素混凝土材料端面摩擦效應(yīng)參數(shù)不確定性分析的有效性。(4)對素混凝土材料的SHPB實(shí)驗(yàn)整體參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析和不確定性分析。首先,對實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行分析,找出影響重復(fù)實(shí)驗(yàn)的不確定性參數(shù);其次,依據(jù)實(shí)驗(yàn)操作過程和測量結(jié)果對各個參數(shù)的區(qū)間范圍進(jìn)行量化;然后,通過全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計和極差分析對8個整體參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,得出了整體參數(shù)的敏感性排序;最后,選取整體參數(shù)中敏感性排名前三的參數(shù)進(jìn)行不確定性分析,通過把不確定性分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了該方法用于整體參數(shù)不確定性分析的有效性。
【圖文】：

b）全球最長跨海大橋——港珠澳大橋 c）世界最高建筑——哈利法塔圖 1.1 世界著名的混凝土建筑（圖片來源于百度百科）以混凝土材料作為主要材料制作而成的建筑物被稱為混凝土結(jié)構(gòu)。各種混結(jié)構(gòu)，不論是用于日常生活的還是用于國防建設(shè)的，在它們的使用過程中都需要承受設(shè)計載荷（一般是準(zhǔn)靜態(tài)載荷和蠕變載荷），而且還可能需要承受各載荷。近些年來，船舶撞擊橋梁致使橋梁損壞的水上交通事故屢見不鮮，造成了

a）坍塌的九江大橋 b）被撞的金塘大橋圖 1.2 撞擊造成混凝土結(jié)構(gòu)損毀（圖片來源于百度百科）除了撞擊載荷經(jīng)常造成混凝土結(jié)構(gòu)的損毀之外，爆炸和地震也是混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭受的動載荷，而且爆炸和地震造成的混凝土建筑物的破壞更加嚴(yán)重。2001年 9 月 11 日，恐怖分子劫持了美國航空客機(jī)與聯(lián)合航空客機(jī)分別撞向了美國世界貿(mào)易中心一號樓與世界貿(mào)易中心二號樓，如圖 1.3a 所示。飛機(jī)撞擊造成的爆炸以及攜帶的炸藥造成的爆炸使得世貿(mào)雙塔相繼倒塌。該恐怖襲擊事件造成 2996 人遇難、6291 人受傷、對美國造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 2000 億美元、對全球經(jīng)濟(jì)造成損害高達(dá) 10000 億美元左右。2011 年 2 月 22 日，新西蘭克萊斯特切奇發(fā)生里氏 6.3 級強(qiáng)烈地震，，震源深度 5 公里，地震致使多座大樓倒塌，街道路面出現(xiàn)裂縫、扭轉(zhuǎn)，其中代表性建筑克萊斯特切奇大教堂也出現(xiàn)了坍塌，如圖 1.3b 所示。該事故造成了極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU528

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本文編號：2628545