论文部分内容阅读
爆炸事故严重威胁着人类的生命财产安全。普通混凝土是广泛应用于防护结构中的一种建筑材料,在爆炸荷载作用下,由于普通混凝土的准脆性,混凝土结构会出现整体性和局部性损伤破坏。目前,可以从材料和结构两个方面着手提高混凝土结构的抗爆性能,一是在混凝土中掺入不同类型纤维形成纤维混凝土,二是设计功能梯度结构也可以提升防护结构的性能。本文着重关注两种纤维增强水泥基复合材料,一种是具有优异的拉伸应变硬化特性（极限拉伸应变超过3.0%）的超高韧性水泥基复合材料（UHTCC:UltraHigh Toughness Cementitious Composite）,另一种是具有高强度（单轴抗压强度超过120MPa）的活性粉末混凝土（RPC:Reactive Powder Concrete）。综合采用试验方法、数值模拟方法以及理论分析方法,对UHTCC、RPC以及RPC/UHTCC复合板的抗爆性能进行了研究,本文主要研究工作如下:（1）研究了UHTCC的抗爆性能:（1）基于现有的试验数据,标定了用于描述UHTCC在爆炸荷载下响应的K&C模型的相关参数;（2）对不同尺寸的UHTCC方形靶板开展了抗爆试验,结果显示UHTCC的抗爆性能显著优于普通混凝土,获得了UHTCC方形板在爆炸荷载后的残余承载力与比例距离之间的关系,探讨了经验公式对破坏形态预测的适用性,结果显示用于预测混凝土的经验公式均低估了UHTCC的抗爆性能;（3）建立了模拟UHTCC在爆炸荷载下动力响应的结构化和非结构化网格有限元模型,结果显示在较小的网格尺寸下非结构化网格计算结果的误差低于结构化网格计算结果的误差,利用混沌多项式展开（PCE:Polynomial Chaos Expansions）代理模型以及Sobol灵敏度指数对影响UHTCC爆炸响应的相关参数开展了不确定性分析,发现UHTCC的最大失效应变主要影响其迎爆面开坑面积和跨中最大挠度等方面的抗爆性能;（4）建立了UHTCC受弯构件的等效单自由度（SDOF:Single Degree of Freedom）模型,利用数值模拟验证了SDOF方法的合理性,利用SDOF方法得到了评估UHTCC单向板在远场爆炸荷载下的损伤的压力-冲量（P-I）曲线,分析了相关参数对P-I曲线的影响,研究结果显示可以通过增大UHTCC的强度、增加UHTCC板的厚度和配筋率、减小计算跨度以及采用固定支撑的方式降低UHTCC受弯构件在爆炸荷载下的弯曲损伤程度,为UHTCC在防护工程中的应用提供了参考。（2）研究了RPC的抗爆性能:（1）开展了RPC的准静态和动态劈裂试验,获得了RPC的拉伸动力增强因子的计算公式;（2）对RPC方形板开展抗爆试验,利用试验结果验证了数值模型的适用性及相关参数的准确性;（3）利用SDOF方法获得了评估RPC单向板在远场爆炸荷载下的损伤的P-I曲线,分析了相关参数对P-I曲线的影响,研究结果显示可以通过增大RPC的强度、增加RPC板的厚度和配筋率、减小计算跨度以及采用固定支撑的方式降低RPC受弯构件在爆炸荷载下的弯曲损伤程度,为RPC在防护工程中的应用提供了参考。（3）探索了RPC/UHTCC复合板的抗爆性能:（1）基于应力波理论基础,设计了UHTCC/RPC复合板,对复合板开展了抗爆试验,研究显示复合板综合性能较好,并且具有优异的吸收能量能力;（2）建立了复合板抗爆的数值计算模型,利用试验结果验证了数值模型的准确性,并利用验证后的数值模型计算研究了不同UHTCC和RPC厚度比的复合板的抗爆性能,分析了复合板设计的适用性,为由UHTCC和RPC组成的复合板在防护工程中的设计和应用提供了参考。