[发明专利]一种考虑冲击压缩损伤影响的钢纤维混凝土层裂强度算法

说明书

本发明涉及一种考虑冲击压缩损伤影响的钢纤维混凝土层裂强度算法，通过确定诱发压缩损伤的应力阈值和加载应力波幅值未达到应力阈值时层裂强度的算法，引入压缩损伤度函数，建立产生压缩损伤后层裂强度的算法，从而获得不同强度等级、不同纤维含量钢纤维混凝土材料不同应变率下层裂强度算法。本发明是现有技术中首次针对混凝土和钢纤维混凝土材料，建立了考虑压缩损伤对混凝土层裂强度影响的工程计算方法；该算法可优化抗爆混凝土防护结构抗震塌破坏设计，提高设计计算精度；同时也可对混凝土和钢纤维混凝土结构在爆炸、冲击以及地震等毁伤载荷作用后残余抗力和防护效能评估计算提供重要的技术支撑。

技术领域

本发明涉及抗爆炸与冲击强动载作用下钢纤维混凝土层裂强度算法，特别是涉及一种考虑冲击压缩损伤影响的钢纤维混凝土层裂强度算法。

背景技术

层裂是一种爆炸、冲击、地震、撞击等强动载作用下独有的动态破坏模式，爆炸等加载方式会在试件内部产生压缩应力波，其传播到试件自由面时会反射成拉伸波传播回试件内部并与入射压缩波相互作用，当拉伸应力大于材料层裂强度时，试件会产生层裂破坏。层裂除会导致材料本身的破坏外，高速飞出的层裂破片也会对其背面(对结构而言一般为内部)的人员和设备产生二次毁伤。

混凝土材料是最常用的建筑结构材料，由于其抗拉强度低而不允许用于承受拉伸载荷的场合，或者在静态载荷作用时受拉的部位用钢筋承担拉伸载荷。但爆炸和冲击载荷会随机作用在不同位置，易于使混凝土结构内部自由面产生层裂破坏，对结构本身、结构内人员和设备产生严重毁伤。因此，设计要承受爆炸、冲击、碰撞以及地震等载荷的混凝土结构时，层裂强度是必须要考虑的设计参数之一。对关系国计民生的重要混凝土结构，往往使用钢纤维混凝土以增强其抗层裂破坏能力。

混凝土材料在制作和养护过程中内部会形成大量的微裂隙、微孔洞等初始损伤，在冲击载荷作用下这些损伤会演化、积累并对层裂破坏产生显著影响。层裂是一种先冲击压缩再紧跟着冲击拉伸的破坏模式，对金属等均匀性较好的韧性材料而言，初始的压缩波加载对材料性能没有影响，因此其层裂强度一般都具有单调的应变率效应，即层裂强度随应变率增加而增加。而对混凝土和砂浆等含大量初始损伤的非均匀脆性固体材料而言，层裂破坏前的压缩加载会导致初始损伤演化，弱化材料，然后反射拉伸波作用在已经弱化的材料上，从而使得其在更低的拉伸应力下破坏，从而使得其层裂强度降低。

在现有文献及技术资料中，分别在混凝土和砂浆材料的一维应力和一维应变状态下发现了随冲击速度增加，会出现层裂强度先增加后降低的现象，并指出这是由于加载压缩损伤而导致，但并没有开展系统实验研究，建立计及压缩损伤因子的层裂强度经验算法。而且，其所研究的材料种类仅为砂浆(不含粗骨料的混凝土)和不含钢纤维的素混凝土，无法满足钢纤维混凝土结构设计和防护效能评估所需。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑冲击压缩损伤影响的钢纤维混凝土层裂强度算法，通过确定诱发压缩损伤的应力阈值(临界应力)和加载应力波幅值未达到应力阈值时层裂强度的算法，引入压缩损伤度函数，建立产生压缩损伤后层裂强度的算法，从而获得不同强度等级、不同纤维含量钢纤维混凝土材料不同应变率下层裂强度算法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种考虑冲击压缩损伤影响的钢纤维混凝土层裂强度算法，包括以下步骤：

步骤S1、试件制备，选取不同强度等级的混凝土分别制备不同钢纤维含量的试件，所述的试件整体为直径100mm的圆柱体，长度不小于1600mm，钢纤维体积含量为0％-4％，试件制备时首先配制钢纤维混凝土浆料，采用模具灌入浆料，模具竖直立放并固定，用行星式振动棒振捣均匀，竖立固定24小时后，拆模，放入水中，常温下养护28天；

步骤S2、测试每个试件的准静态物理力学性能，测试参数包括密度、波速、弹性模量、准静态压缩强度、准静态拉伸强度；其中，采用普通电子秤测量质量，再除以试件体积获取密度；波速采用超声波发射仪获取，每个试件测量5次取其平均值；准静态强度和弹性模量通过材料实验机的准静态压缩实验获取；