基于材料动强度的混凝土高坝极限抗震能力及抗导弹打击能力研究

Large hydropower buildings have always been the important target of military strike and terrorist attack. There are large differences between static strength and dynamic strength of the concrete under high velocity impact and explosive loads. So research on concrete strength under different loading rates and anti-strike capability of concrete dam are significant for national defense. Firstly, through the static and dynamic tests、CT tests and numerical tests, least energy consumption principle of static cracks propagation along the weak interfaces of the concrete is studied. Rate-dependent principle of energy release of dynamic cracks propagation along the shorter path of energy release is studied. Thus the improve mechanism of concrete dynamic strength is revealed. Secondly, the analytic expression reflecting improve mechanism of concrete dynamic strength is proposed, and this expression can calculate concrete dynamic strength under earthquake load、missile impulse load and explosive load. Then, the concrete dynamic strength theory based on stress state and rate effect parameters is studied by the mechanical tests and true tri-axial numerical tests. Damage evolution equation and damage dynamic constitutive equation of concrete based on the measure of damage zone by CT tests are obtained. Finally, the computation module of new dynamic strength theory and damage dynamic constitutive relation are developed. Ultimate aseismic capability、anti-missile strike capability and explosive strike capability of concrete high-dam are studied based on the hydropower station project.

大型水电建筑物历来都是军事攻击和恐怖袭击的重点目标，混凝土在高速冲击和爆炸载荷下的动强度与静强度存在很大差异，进行混凝土在不同速率动载荷下的强度研究以及混凝土大坝的抗打击能力研究，具有重要的国防意义。项目拟通过静、动力学试验，CT试验以及三维数值试验，研究混凝土静载裂纹沿着材料的薄弱面发展的“最小耗能原理”；动载裂纹沿着能量释放较短路径发展的“能量释放率相关原理”；分析混凝土动强度提高的机理。给出能反应混凝土动强度提高机理的动强度解析式，利用该式可计算出地震载荷、导弹冲击载荷以及爆炸载荷下混凝土的动强度。通过复杂加载路径时的力学试验和真三轴数值试验，研究基于应力状态及率效应参数的混凝土动强度理论；研究基于CT试验损伤区测度的混凝土损伤演化方程和损伤动本构方程；分别开发新的动强度理论和损伤动本构方程计算模块，依托某水电站工程研究混凝土高坝的极限抗震能力、抗导弹冲击以及爆炸打击能力。

大型水电建筑物历来都是军事攻击和恐怖袭击的重点目标，混凝土在高速冲击和爆炸载荷下的动强度与静强度存在很大差异，但目前还无法通过力学试验直接测定，开展混凝土在高速冲击和爆炸载荷下的动强度研究，具有重要的国防意义。. 项目通过静动力学试验、SHPB试验、CT观测以及三维数值试验，深入研究了混凝土的静动力学特性、破坏时裂纹面萌生与发展机理以及破坏耗能原理：（1）指出混凝土静动强度差异的根源是裂纹发展路径与破坏面分布形式不同。静态破坏时裂纹沿着材料的薄弱面向前发展，即静态裂纹开裂遵循最小耗能原理；静态裂纹面单一，破坏后的粒径大，破坏体就地残留；而动态破坏时，材料内部的应变能集聚速度快，需要在瞬间得到释放，裂纹沿着能量释放最短路径发展，动态裂纹开裂遵循能量释放最快的率相关原理；导致动态裂纹穿过材料的高强度区，快速释放导致动态裂纹面网络化，裂纹面形态复杂，破坏后的粒径小，破坏体飞溅，伴随产生热、电、声、光，这些综合耗能使得混凝土动强度得到提高。（2）得出了爆炸载荷下混凝土的动强度=混凝土静强度+（试样惯性耗能+破碎块飞溅动能+新形成的裂纹面表面能+热电声光耗能）引起的强度提高值，给出了爆炸载荷下混凝土的动强度代数表达式，利用该式可计算出高速冲击或导弹等爆炸载荷下混凝土的动强度。其中，试样惯性耗能可根据牛顿惯性定律求出；破碎块飞溅动能可通过飞溅距离根据动量原理求出；新形成的裂纹面表面能可根据破碎块的级配计算出的比表面积乘以材料表面能求出；热电声光耗能可综合为一个材料强度系数代表。（3）项目通过复杂加载路径时的各种力学试验和真三轴数值试验，验证了所提理论的有效性，确定了各分项耗能的测定与计算方法及其对动强度的贡献。（4）研究了基于CT试验损伤区测度的混凝土损伤演化方程和损伤动本构方程。. 研究成果可用于关系国防和国家安全的混凝土构筑物在抗高速冲击或抗导弹等爆炸载荷时的强度设计，具有重要的国防应用前景。