动力荷载下混凝土的性能

近年来，随着我国国民经济的快速发展，一批300m级高拱坝和200m级高重力坝相继建成，为保障这些大型混凝土结构在地震等动力荷载作用下的安全性耐久性,急需准确地认识混凝土材料在动力荷载下的力学特性，提供准确的材料力学参数和破坏准则，并以此为依据进行混凝土结构设计和安全性评价。本书共六章，介绍了近年来本团队围绕动力荷载下混凝土的性能方面取得的研究成果，内容包括混凝土的基本特性、破坏机理和国内外关于动力荷载下混凝土性能的研究现状；动力荷载作用下混凝土性能试验结果；动力荷载作用下混凝土的强度变化机理与分析模型；动力荷载作用下混凝土的本构模型；真实水荷载下的混凝土性能以及动力荷载作用下的混凝土性能影响因素。

本书可为从事水利、土木工程领域混凝土结构设计和安全性评价的科技工作者提供参考，也可作为水利、土木工程研究生的教学参考书。

李庆斌，男，1964年出生，清华大学水工结构教授，博士生导师，教育部“大型水电枢纽灾变机理与安全极限理论”创新团队带头人。主要从事水工结构工程、高混凝土坝结构、大体积混凝土材料断裂等方面的研究。主持完成10多项相关国j级项目，发表论文200余篇，其中SCI收录70余篇。曾获清华大学2000度"学术新人奖"、2002年度国家杰出青年基金、2009年度教育部长江学者特聘教授、2012年度国务院政府特殊津贴、2016年云南省五一劳动奖章等荣誉称号和国家科技进步二等奖、教育部科技进步一等奖、教育部自然科学二等奖、中国水电科技特等奖等科技奖励。曾任清华大学水利系河川枢纽研究所所长、土木水利学院副院长兼水沙科学与水利水电工程国家重点实验室（清华大学）副主任。现任水沙科学与水利水电工程国家重点实验室主任，兼任中国水力发电工程学会理事、《水力发电学报》主编。

前言

近年来，随着我国国民经济的快速发展，一批300m级高拱坝和200m级高重力坝相继建成，为保障这些大型混凝土结构在地震等动力荷载下的安全性、耐久性,亟须准确地认识混凝土材料在动力荷载下的力学特性，提供准确的材料力学参数和破坏准则，并以此为依据进行混凝土结构设计和安全性评价。

我国在混凝土材料的力学特性上取得了较好的研究成果，并在大坝等众多混凝土结构上得到了应用和验证。但由于混凝土材料的非均质性、固体破坏的复杂性以及动力试验带来的不确定性等众多因素，造成目前国内外对动力荷载下混凝土材料的性能及破坏机理缺乏统一认识，研究成果很难真正应用于指导实践，该领域的研究方兴未艾。本书总结了作者关于动力荷载下混凝土的力学性能研究成果，提出了一些较前沿的研究思路和方向，其中一些观点仅代表作者当前对上述问题的认识，有待进一步补充、完善和提高。

本书共6章，介绍近年来作者团队围绕动力荷载下混凝土的性能方面取得的研究成果。第1章介绍混凝土的基本特性、破坏机理和国内外关于动力荷载下混凝土性能的研究现状，由郑丹、李庆斌和李鑫鑫执笔。第2章介绍动力荷载下混凝土性能试验结果，由郑丹、王海龙和陈樟福生执笔。第3章介绍动力荷载下混凝土的强度变化机理与分析模型，由郑丹、王海龙执笔。第4章介绍动力荷载下混凝土的本构模型，由王海龙、郑丹执笔。第5章介绍真实水荷载作用下的混凝土性能，由李庆斌、陈樟福生执笔。第6章讨论和分析动力荷载下混凝土性能的影响因素，由郑丹、王海龙和陈滔执笔。

本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目（90715041，90210010）的资助。同时，借鉴参考了国内外有关专家的研究成果，在此表示致谢！书中难免存在不足乃至错误之处，敬请读者予以批评和指正。

作者2021年6月

目录

第1章绪论

1.1混凝土基本特性

1.1.1混凝土材料的基本组成

1.1.2混凝土材料的基本受力特性

1.2混凝土的一般破坏机理

1.3动力荷载下混凝土的性能

1.3.1动力荷载下混凝土性能试验研究

1.3.2动力荷载下混凝土性能理论研究

1.3.3动力荷载下混凝土性能数值模拟研究

1.3.4动力荷载下混凝土性能影响因素研究

1.4小结

参考文献

第2章混凝土在动力荷载下的性能试验

2.1混凝土动力试验系统

2.1.1电液伺服液压试验系统

2.1.2分离式霍普金森压杆试验系统

2.1.3落锤试验系统

2.1.4其他设备

2.2混凝土在动力荷载下的强度试验

2.2.1混凝土在单轴动力荷载下的抗拉强度

2.2.2混凝土在单轴动力荷载下的抗压强度

2.2.3混凝土在多轴动力荷载下的强度

2.2.4动力荷载下经历荷载历史的混凝土强度

2.2.5动力荷载下饱和混凝土的强度

2.3混凝土在动力荷载下的变形性能

2.3.1混凝土在动力荷载下的弹性模量

2.3.2混凝土在动力荷载下的泊松比

2.3.3动力荷载下混凝土的极限变形

2.4小结

参考文献

第3章动力荷载下混凝土的强度变化机理与分析模型

3.1动力荷载下混凝土单轴抗拉强度变化细观机理与分析模型

3.1.1单轴动力拉伸荷载下混凝土的破坏过程

3.1.2动力荷载下混凝土的抗拉强度变化机理

3.1.3单轴动力拉伸荷载下混凝土强度分析模型

3.2动力荷载下混凝土单轴抗压强度变化细观机理与分析模型

3.2.1单轴动力压缩荷载下混凝土的破坏过程

3.2.2单轴动力压缩荷载下混凝土的强度变化机理

3.2.3单轴动力压缩荷载下混凝土的强度计算分析模型

3.3混凝土动力多轴强度模型

3.3.1动力荷载下的混凝土双轴强度准则

3.3.2动力荷载下的混凝土三轴强度准则

3.3.3基于细观力学的围压动力荷载下混凝土的三轴强度准则

3.4初始静荷载叠加动力荷载时混凝土强度变化机理与分析模型

3.4.1考虑初始静荷载下混凝土的动力抗拉特性

3.4.2考虑初始静荷载下混凝土的动力抗压特性

3.4.3计算结果和讨论

3.5小结

参考文献

第4章动力荷载下混凝土的本构关系

4.1混凝土的弹性模量

4.1.1饱和混凝土弹性模量细观模型

4.1.2非饱和混凝土的弹性模量计算细观模型

4.1.3混凝土的泊松比

4.2动力荷载下混凝土变形特性

4.2.1动力荷载下混凝土的弹性应变

4.2.2动力荷载下混凝土内微裂纹引起的应变

4.2.3微裂纹在单轴动力拉伸荷载下的扩展演化规律

4.2.4压缩荷载下单个微裂纹变形引起的非弹性应变

4.2.5微裂纹在动力压缩荷载下的扩展演化

4.3动力荷载下混凝土的应力应变关系

4.3.1混凝土受单轴拉伸

4.3.2混凝土受单轴压缩

4.4小结

参考文献

第5章真实水荷载作用下的混凝土性能研究

5.1干燥与饱和混凝土的三轴性能试验研究

5.1.1干燥与饱和混凝土三轴压缩试验方法

5.1.2混凝土单轴抗压性能

5.1.3混凝土三轴抗压性能

5.2真实水荷载对混凝土静动态三轴性能影响的试验研究

5.2.1真实水荷载作用下混凝土性能试验方法

5.2.2真实水荷载作用下干燥混凝土的三轴特性

5.2.3真实水荷载作用下饱和混凝土的三轴特性

5.3小结

参考文献

第6章混凝土动力特性影响因素分析

6.1动力加载过程中混凝土材料内部应力分析

6.2惯性对混凝土动力性能的影响分析

6.2.1单自由度系统的惯性

6.2.2双自由度系统的惯性

6.2.3多自由度系统的惯性

6.2.4动力荷载下混凝土的破坏形态

6.3黏性对动力荷载下混凝土性能的影响分析

6.3.1Stefan效应

6.3.2自由水表面张力

6.4其他因素对动力荷载下混凝土性能的作用

6.4.1混凝土自身强度的影响

6.4.2初始静荷载的影响

6.4.3骨料破坏形态的影响

6.4.4多个宏观裂纹的产生和扩展影响

6.4.5端部约束效应

6.4.6试件端面摩擦效应

6.4.7尺寸效应

6.5小结

参考文献