高性能和纤维增强轻骨料混凝土多轴静动强度准则及本构模型研究

Constitutive relationship and strength characteristics of high performance lightweight aggregate concrete(HPLAC) and fiber reinforced lightweight aggregate concrete(FRLAC) under the multiaxial static and dynamic stress states are theoretically crucial to the engineering applications and nonlinear structural analysis of lightweight concrete structure. Different types of light coarse and fine aggregate will be adopted with different types and addition contents of fibers to make into HPLAC with different strength and density grades in this proposal project. The tests including the uniaxial, biaxial, truly triaxial loading scheme are suggested to be carried out in order to analyze the strength and deformation characteristics of HPLAC and FRLAC. By regression of the tests results, respective failure criterions depending on the material quality and performance dependent constitutive formulation for HPLAC under different combined loads should be proposed. Considering the dynamic effect of HPLAC and SFLAC structures subjected to seismic and impact loads, the dynamic multiaxial loading experiments of HPLAC containing different short fiber content should be performed. On the basis of the viscoplastic theory, damage evolution theory and dynamic experimental results, in combination with the rate-independent elastoplastic damage constitutive model, a united visco-plastic damage constitutive model will be established to study the effects of strain rate and loading path on the internal damage progressive failure mechanism at fiber-matrix interface. The unified dynamic analysis theory and dynamic mechanical indexes of HPLAC should also be applied to engineering structural design.

高性能轻骨料混凝土和纤维增强轻骨料混凝土在多轴静动应力条件下的强度及本构关系是轻骨料混凝土结构和构件工程应用的重要理论问题和非线性分析的基础。拟选用不同类型粗细轻骨料、不同类型纤维和掺量配制出不同密度等级和强度等级的高性能轻质混凝土，研究其在单轴、双轴、真三轴应力状态下的强度和变形性能，建立考虑混凝土品质性能等级的多轴强度破坏准则和本构模型。开展高性能轻骨料混凝土的真三轴动态强度和变形试验，建立高性能轻骨料混凝土加载速率相关的动态强度准则；通过改造率无关弹塑性损伤本构模型，以黏塑性、损伤滞后理论和试验规律为基础，从纤维-基体界面细观损伤渐进破坏机理出发，建立计及应变率效应、加载路径效应与损伤演化规律的统一黏塑性-损伤耦合本构关系, 形成较完善统一的高性能轻骨料混凝土动力分析理论和可资用于设计的动态力学指标。以上研究成果可为轻骨料混凝土结构和构件的静动非线性分析提供科学试验依据和理论基础。

恶劣环境下高性能轻骨料混凝土和纤维增强轻骨料混凝土的多轴静动强度准则及本构关系是轻骨料混凝土结构和构件工程应用的重要理论问题和非线性分析的基础。本项目选用不同类型粗细轻骨料、不同类型纤维和掺量配制出不同密度等级和强度等级的高性能轻质混凝土，研究了不同品质高性能轻骨料混凝土在单轴、双轴、真三轴应力状态下的强度和变形性能，试验应力比选取低应力比σ1/σ3=0.1和高应力比σ1/σ3=0.25两组，每组变换中间主应力σ2。发现在不同应力比水平下，高性能全轻混凝土、次轻混凝土的强度和变形特征与普通骨料混凝土有一定的区别，最终建立了考虑混凝土品质性能等级的多轴强度破坏准则和本构模型，为不同类型结构轻骨料混凝土结构按多轴强度理论进行设计提供空间破坏曲面的数学表达式。对高温火灾后轻骨料混凝土的多轴受压应力-应变本构关系进行试验研究和数值模拟，加载路径包括单调加载和重复加载，高温等级从200℃到800℃，通过校核塑性膨胀角计算模型和硬化/软化法则，考虑升温-降温损伤条件下裂缝的张开和闭合机制，采用非线性塑性势函数和非相关流动法则，在构件和材料层面，建立适用于复杂应力条件并考虑低周疲劳循环效应的塑性损伤本构模型，以期对高性能轻骨料混凝土结构防火设计与火灾后的评估修复提供参考。通过改造率无关弹塑性损伤本构模型，以黏塑性、损伤滞后理论和试验规律为基础，从纤维-基体界面细观损伤渐进破坏机理出发，建立计及应变率效应、加载路径效应与损伤演化规律的统一黏塑性-损伤耦合本构关系, 形成较完善统一的高性能轻骨料混凝土动力分析理论和可资用于设计的动态力学指标。以上研究成果可为火灾中和火灾后轻骨料混凝土结构和构件的静动非线性分析提供科学试验依据和理论基础。