基于应力与变形的混凝土破坏准则及应用

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混凝土破坏准则是混凝土材料和结构安全评价的重要判别手段。大坝混凝土承受长期复杂的结构应力、温度约束应力以及徐变松弛的耦合作用,传统的最大应力、最大应变及最大能量准则针对徐变、疲劳、温度应力等复杂历时荷载的破坏判别具有局限性。为此需要建立一套适用评判复杂历时荷载作用的混凝土破坏准则。本文围绕这一目标,从理论推导、试验验证、设备研发、工程应用验证等方面入手,建立了基于应力与变形的混凝土破坏判别准则,并最终应用到特高拱坝工程的早期温度应力开裂评价中。论文获得主要研究成果如下:(1)利用能量原理推导了基于应力与变形的破坏判别准则,其数学表达式为f(σs,εs)=(σp-σs)+K*Ep(εp-εs)。其中针对特定材料,无量纲变量K的值主要与所处受力状态有关。所建立的应力与变形准则针对不同材料(砂浆、混凝土)、不同试件尺寸、不同加载水平、不同加载路径的高应力徐变破坏预测精度均可控在材料本身的离散范围内。应力与变形准则与传统的最大应力、应变及能量准则本质是相同的,只是数学上统一表达为胡克定律形式,具有物理概念明确、利于推广应用、可快速判别等优点。针对复杂历时荷载破坏,只需根据所处的应力应变状态即可进行破坏判别和预测。(2)研发了多机联控混凝土温度应力试验系统。通过人工气候环境模拟、温度变形自补偿、直接测变形、可分离振捣、无损搭载等技术手段,自主研发了可多机闭环联控的混凝土温度应力试验系统。通过试验验证了约束对弹性模量影响较小,并给出了直接分离徐变变形的试验方法。该系统单机性能先进,实现了多机闭环联控、应力变形定量化测控等技术突破,可为混凝土温度应力开裂分析和破坏准则研究提供可靠的试验支撑。(3)混凝土温度应力破坏准则及应用研究。基于线性假设,推导了适用于混凝土温度应力破坏的应力与变形破坏判别准则。破坏准则针对不同混凝土、不同温度历程的温度应力破坏试验均具有较好的预测精度。温度、约束、自生体积变形等均是应力和变形发展的外部驱动因素,决定混凝土破坏的根本原因在于应力和变形。利用所研发的试验系统和建立的破坏准则,研究表明低热水泥混凝土早期抵御温度应力的抗裂特性略差;但在温控方面展现出较大优势,需建立与低热水泥混凝土配套的控温模式。
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