基于3D细观模型的混凝土动态压缩行为分析

作者：张湘茹; 程月华; 吴昊^*

来源：爆炸与冲击, 2023, 1-18.

• 混凝土
• 3D细观模型
• 动态力学行为
• 粘结接触
• 应变率效应

混凝土作为最广泛使用的建筑材料应用于军事防护工程和民用交通基础设施中，其在服役期内可能承受高速侵彻爆炸以及车、船和落石冲击等动态荷载作用。细观尺度上混凝土是由砂浆、粗骨料和界面过渡区(Interface Transition Zone，ITZ)组成的三相复合材料。本文通过建立混凝土的3D细观模型，在细观尺度上分析动态压缩荷载作用下混凝土材料内部裂缝的产生和发展、损伤演化和动态强度及其影响因素。首先，基于传统的“生成-投放”法生成粒径、形状和空间分布均随机的凸多面体粗骨料模型，并通过骨料沉降和粒径缩放实现粗骨料的大体积率(达50%)和可调控；使用四面体网格划分骨料和砂浆表征其真实物理形状；使用界面粘结接触表征ITZ提升计算效率。进一步通过对比不同粗骨料粒径混凝土的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB)试验数据与模拟结果，如杆上应变时程、试件动态应力-应变曲线和试件损伤破坏模式，验证了建立的混凝土3D细观有限元模型、参数确定方法和数值仿真方法的准确性。最后，分析了30～100 s-1应变率范围内骨料粒径(4～8 mm、10～14 mm和22～26 mm)、体积率(20%、30%和40%)和类型(石灰岩、花岗岩和玄武岩)对混凝土动态压缩强度的影响。结果表明：粗骨料粒径增大，混凝土动态压缩强度先增大后减小；粗骨料体积率越高，混凝土动态压缩强度越大；混凝土动态压缩强度随粗骨料强度的增加而提高。

• 单位
  土木工程学院; 同济大学