【摘要】：混凝土作為土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最普遍的建筑材料,在工程建設(shè)中發(fā)揮著不可或缺的作用,其結(jié)構(gòu)的安全性、設(shè)計建造的經(jīng)濟性對社會、經(jīng)濟以及環(huán)保等多個方面均有重要的影響。因此,對混凝土材料力學性能的研究應(yīng)結(jié)合物理、力學、材料以及信息技術(shù)等相關(guān)學科的最新研究成果,由細觀及微觀尺度上混凝土材料特征入手,加深對宏觀尺度上混凝土力學行為的理解。以期能夠更科學合理地描述材料的破壞和失效過程,更準確地模擬和預(yù)測其力學行為,推動科學研究的發(fā)展,實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的精細化設(shè)計和控制,最大程度地降低安全風險和經(jīng)濟成本。細觀理論因能夠幫助研究人員更加深刻地理解混凝土的宏觀破壞過程與力學屬性,已經(jīng)成為混凝土研究領(lǐng)域的熱點和焦點。本文應(yīng)用復(fù)雜性科學理論工具對混凝土細觀結(jié)構(gòu)進行定量分析,并討論混凝土幾何性質(zhì)對其力學行為的影響,主要研究內(nèi)容與成果如下:(1)對不同觀察尺度上混凝土的結(jié)構(gòu)和組成成分進行了明確的定義,確定了混凝土細觀模型概念的外延,并從骨料集合、水泥砂漿的基本性質(zhì)出發(fā),通過理論推導(dǎo)確定了其各自分形維數(shù)的取值范圍,對混凝土的分形維數(shù)進行了定義,并以此來定量地描述混凝土的幾何性質(zhì)。(2)根據(jù)分析對象的不同,討論了基于相似維數(shù)定義、篩分結(jié)果,以及計盒維數(shù)定義測算混凝土分形維數(shù)的具體應(yīng)用。在計盒維數(shù)的基礎(chǔ)上總結(jié)提出了利用二值化矩陣進行分形維數(shù)計算的方法,同時提出了以最大限度保留測量信息為前提,減少內(nèi)存占用、提高運算效率的優(yōu)化手段。應(yīng)用此方法對CT掃描結(jié)果進行了分析,計算得到了混凝土的分形維數(shù),并將試驗測量結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論進行了印證。(3)以提供幾何性質(zhì)不變但同時具有相當隨機性的大規(guī)模數(shù)值分析模型為目的,提出了一種基于迭代思想,應(yīng)用隨機分形理論進行混凝土數(shù)值骨料建模的方法。系統(tǒng)地介紹了實際應(yīng)用過程中如何進行骨料形狀和數(shù)目的修正以實現(xiàn)數(shù)值分析與實際受力狀態(tài)的高精度相似,并結(jié)合實際模擬的案例介紹了建模的具體步驟,繼而應(yīng)用抽樣統(tǒng)計和算法復(fù)雜度的有關(guān)研究方法,定量地評價了隨機分形建模方法的建模效果。(4)應(yīng)用細觀理論框架內(nèi)的解析方法、數(shù)值模擬方法和力學實驗試驗方法,分別對混凝土彈性和非線性的力學行為進行了定性和定量分析,明確了混凝土的分形維數(shù)和粗骨料含量對其彈性模量、軸心抗壓強度、極限應(yīng)變等宏觀力學指標的影響,并對其現(xiàn)象成因和內(nèi)在機理進行了推斷和闡釋,即宏觀現(xiàn)象是由細觀結(jié)構(gòu)決定的,同時宏觀現(xiàn)象也是細觀結(jié)構(gòu)在外界作用下反應(yīng)的一種體現(xiàn)。更進一步地,將混凝土在荷載作用下呈現(xiàn)的混沌現(xiàn)象進行了深入分析,利用Lyapunov指數(shù)定量地描述了其力學行為的初始值敏感性,分析了呈現(xiàn)混沌特征的主要影響因素,提出了基于已有測量結(jié)果預(yù)測混凝土力學行為的方法。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU528

【參考文獻】

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本文編號：2762010