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混凝土结构在使用期间会受到动态荷载的作用,如各类建筑受到的地震作用,沿海建筑及海上平台受海水波浪的作用,桥梁及高耸构筑物受地震与风荷载的作用等。尽管动态荷载并不是时刻都作用在混凝土结构上,但由于其不可预知性以及对结构严重的破坏性,动态荷载成为结构设计过程中必须考虑的重要因素。 我国是一个多地震国家,具有相当高的地震烈度和频度,在西部工程建设中,地震工况成为结构设计时的控制工况,是影响工程项目立项与建设的关键科学与技术问题。伴随着材料科学的发展与国民经济建设的实际需要,混凝土结构的跨度越来越大、结构形式日趋多样化、混凝土构件的尺寸也越来越大。为确保人们生命财产安全,对承受动态加载下不同尺寸的混凝土结构进行准确分析,成为混凝土动态性能研究的重要任务。 在国家自然科学基金(51279092)的资助下,本文利用我校10MN大型多功能静动力三轴仪进行了混凝土材料在不同尺寸和不同应变速率下的单调压缩试验。通过分析试验数据,研究在不同应变速率、不同试件尺寸下的混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量等变化规律。在此基础上,基于数学统计理论建立了考虑尺寸效应的混凝土动态本构模型,分析了本构模型中的一些相关参数与应变速率的相关性。本文的核心研究内容与主要创新点如下。 (1)进行了混凝土静动态抗压性能试验,分析了混凝土在不同试件尺寸(150mm、300mm、450mm 立方体)和不同应变速率(10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s)下的力学与变形特性。研究表明,在同一种应变速率下,混凝土峰值应力随着尺寸的增加而降低,存在明显的尺寸效应,混凝土峰值应变随着尺寸的增加而降低；在同一种试件尺寸下混凝土峰值应力随应变速率的增加而提高,存在明显的速率效应；混凝土在相同应变速率下,尺寸换算系数随试件尺寸的增加而降低；在相同尺寸下,尺寸换算系数随加载速率的提高而降低。 (2)首次根据基于统计学的Weibull尺寸效应理论和基于断裂力学的Bazant尺寸效应理论,结合本文试验数据构建了含速率效应的混凝土强度的尺寸效应理论。 (3)首次构建了率型物理力学本构模型并对模型进行了验证,验证结果表明本文所建本构模型能较好地吻合试验结果；利用该模型对混凝土的吸能能力进行了研究,结果表明,在不同应变速率下,混凝土单位体积的吸能能力随试件尺寸的增大而降低；在不同试件尺寸下,混凝土单位体积的吸能能力随应变速率的增大而增加；试件越小、应变速率越大,混凝土单位体积的吸能能力越强。 研究后认为,未来混凝土的研究工作应从以下几方面加强：已有的三种试件尺寸尚不足以充分说明尺寸效应的变化规律,建议在现在的尺寸范围内采用插值方式增加更多不同尺寸的试件,使数据的规律性更加明显；可采用数值模拟等方法开展混凝土尺寸效应研究；有必要进行试验加载过程中的损伤实时观测,如采用超声波,CT等,探讨混凝土动态损伤特性随试件尺寸而变化的规律。