“清華大學**博士學位論文叢書”（以下簡稱“優博叢書”）精選自2014年以來入選的清華大學校級**博士學位論文（Top 5%）。每篇論文經作者進一步修改、充實並增加導師序言後，以專著形式呈現在讀者面前。“優博叢書”選題範圍涉及自然科學和人文社會科學各主要領域，覆蓋清華大學開設的全部一級學科，代表了清華大學各學科***的博士學位論文的水平，反映了相關領域*新的科研進展，具有較強的前沿性、繫統性和可讀性，是廣大博碩士研究生開題及撰寫學位論文的**參考，也是科研人員快速和繫統了解某一細分領域發展概況、*新進展以及創新思路的有效途徑。

\"本文基於細觀顆粒元數值模型和動力試驗相結合的方法，分析了混凝土直拉、劈拉、彎拉強度等性能；建立了落錘結構全繫統仿真模型，對混凝土梁落錘衝擊試驗進行仿真分析提出了顆粒元能量模式與傳統斷裂能的轉換關繫；基於顆粒元有限差耦合方法進行了無黏結預應力混凝土梁衝擊試驗仿真，論證了鋼筋混凝土類復合材料的動力特性與破壞機理。 本書適合高校和科研院所水利、土木建築、力學、材料等專業的師生閱讀。\"

第1章緒論
1.1研究背景及意義
1.2混凝土動力性能研究
1.2.1混凝土動力試驗方法
1.2.2混凝土強度率相關規律
1.2.3動力破壞機理研究
1.2.4水工混凝土動力性能研究
1.3混凝土細觀數值模型方法
1.3.1有限元模型
1.3.2格構模型
1.3.3離散元模型
1.4論文主要內容與創新點
1.4.1論文主要內容
1.4.2論文創新點

第2章混凝土細觀顆粒元模型驗證與軸拉、劈拉、彎拉強度試驗仿真
2.1概述
2.2混凝土細觀顆粒元模型
2.2.1顆粒元平行黏結模型
2.2.2顆粒元能量理論
2.2.3混凝土細觀結構預處理及參數反演
2.3混凝土細觀顆粒元模型驗證與軸拉、劈拉、彎拉強度對比
2.3.1混凝土靜動力強度試驗及細觀模型
2.3.2靜力抗拉強度對比與分析
2.3.3動力抗拉強度對比與分析
2.4本章小結第3章混凝土動力衝擊性能試驗研究
3.1概述
3.2試驗設計
3.2.1試驗設備及試件
3.2.2預備試驗
3.3試驗數據分析
3.3.1加速度信號處理
3.3.2慣性力分析
3.4試驗結果
3.4.1鋁錘頭不同落錘高度試驗結果
3.4.2鋁錘頭不同落錘質量試驗結果
3.4.3橡膠錘頭不同落錘高度試驗結果
3.5試驗分析及討論
3.5.1動量衝量平衡關繫
3.5.2率相關效應
3.5.3繫統能量平衡與混凝土梁能量組成
3.6本章小結

第4章落錘結構全繫統細觀模型仿真與分析
4.1概述
4.2細觀顆粒元全繫統模型仿真分析
4.3數值模型結果和對比
4.3.1力時程結果對比
4.3.2豎向位移結果對比
4.3.3混凝土應變結果對比
4.3.4高應變率試驗模擬
4.4分析及討論
4.4.1率相關效應
4.4.2破壞現像
4.4.3繫統能量轉換過程
4.4.4顆粒元能量轉化及對比
4.5本章小結第5章無黏結預應力混凝土動力衝擊性能試驗研究
5.1概述
5.2試件及試驗裝置
5.2.1無黏結預應力混凝土試件
5.2.2試驗裝置及測量
5.3不同配筋率混凝土梁有效預應力影響研究
5.3.1鋼筋動應變
5.3.2混凝土梁開裂過程
5.3.3混凝土梁動力承載力變化及豎向變形
5.3.4能量分析
5.4不同配筋率混凝土梁率相關研究
5.4.1鋼筋動應變
5.4.2承載力率相關分析
5.5不同配筋率混凝土梁多次衝擊影響研究
5.5.1鋼筋動應變
5.5.2承載力及豎向位移變化
5.5.3混凝土裂紋寬度變化
5.6本章小結

第6章顆粒元有限差耦合模型及預應力混凝土衝擊試驗仿真
6.1概述
6.2顆粒元有限差耦合模型
6.2.1有限差分法
6.2.2顆粒元有限差耦合算法
6.2.3顆粒元有限差全繫統模型
6.3數值模型結果和對比分析
6.3.1數值結果對比
6.3.2能量過程分析與對比
6.4本章小結

第7章混凝土梁初始靜載影響的細觀動力仿真與研究
7.1概述
7.2初始靜載影響的試驗研究
7.3基於細觀顆粒元的初始靜載影響分析
7.3.1動力強度增長段
7.3.2動力強度下降段
7.4本章小結

第8章結論及展望
8.1主要研究成果和結論
8.2研究展望

參考文獻在學期間發表的學術論文與研究項目致謝

第1章 緒論 混凝土動力衝擊性能試驗與細觀數值仿真研究第1章緒論〖1〗1.1研究背景及意義高壩抗震安全分析關鍵技術包括\\[1\\]：（1）地震動荷載的分析與確定；（2）高壩壩肩強非線性損傷斷裂模型；（3）混凝土材料動力性能；（4）安全風險評價體繫。其中，**部分對地震動荷載的研究屬於地震工程學領域，目前集中於使用概率法或確定性分析法對壩址區進行地震危險性分析\\[2,3\\]。第二部分對於高壩結構動力響應模型的研究則較為繫統和全面，從1980年代起，相繼建立了壩體地基庫水繫統非線性動力響應、混凝土損傷及鋼筋加固、高壩地基破壞潰決全過程仿真等分析模型，對於推動高壩安全分析技術進步起到了重大作用\\[47\\]。第三部分對混凝土動態力學的研究雖然開始較早，但多處於試驗和宏觀特性分析的水平\\[810\\]，迫切需要進一步的研究工作以揭示混凝土在動力荷載作用下的力學行為和機理。第四部分安全風險評價體繫屬於工程抗震設計的範疇\\[11\\]。因此，對混凝土材料動力性能的研究，具有重要的工程背景及科研意義。
對混凝土材料動力性能的研究，主要關注以下幾個方面：（1）動力強度隨加載速率（應變率）的增加而增強，即率相關效應的研究（Rate effect），其中還包括不同加載方式、混凝土靜力強度的影響等方面的研究；（2）在受到動力荷載前，混凝土的荷載環境和荷載條件的影響，如含水率、靜力初始應力對其動力強度的影響等；（3）動力破壞機理研究，如多裂紋破壞模式，自由水黏性，慣性力作用的研究。雖然對混凝土動力性能的研究已經進行了幾十年，但主要的研究工作仍集中於宏觀規律的試驗和分析方面，對其動態損傷斷裂過程和機理的研究仍然不足。
混凝土作為一種非均勻的準脆性材料，在損傷斷裂破壞過程中具有應變軟化、損傷局部化的特征\\[12\\]。隨著近年來試驗技術、理論方法和數值分析水平的不斷進步，對混凝土力學行為的研究和模型方法也經歷了不斷發展的過程。在線彈性斷裂力學研究方面，有斷裂韌度KⅠc準則\\[13\\]，雙K準則\\[1416\\]等方法。非線性斷裂力學方面，有Hillerborg提出的分離式虛擬裂縫模型\\[17\\]、Baant提出的彌散式裂縫模型等方法\\[18\\]。在損傷力學方面，基於不同損傷變量發展了多種損傷模型，如Marzar模型\\[19\\]，Krajcinovic損傷模型\\[20\\]，以及引入率相關演化準則的動態損傷力學模型\\[21,22\\]等。另外，Zaitsev和Wittmann\\[23\\]於1981年提出混凝土材料研究的不同尺度水平，指出細觀層面上混凝土是骨料、砂漿、交界面多組分組成的非均勻結構。在細觀結構上，微裂紋的產生、擴展、失穩、聯通的破壞過程，可以解釋混凝土材料宏觀力學行為的機理。
混凝土受到地震或衝擊等動力荷載作用時，其動態力學行為與靜力狀態下有**不同的破壞過程和耗能機制。基於材料均勻假設的宏觀模型僅能做到近似描述其破壞規律，難以解釋其力學機理，因此，發展動力細觀模型，從細觀結構的非均勻性和動態破壞過程進行研究則具有重要意義。本文結合宏觀動力試驗和細觀數值模型方法——試驗觀測對模型仿真進行驗證，細觀數值結果對宏觀力學行為進行解釋，對混凝土動力性能的主要方面進行了繫統深入的分析研究。
1.2混凝土動力性能研究〖*1〗1.2.1混凝土動力試驗方法對混凝土動力性能的研究，離不開材料試驗這一重要環節，而隨著試驗裝置的進步，能夠達到的加載速率越來越高，對混凝土的測試內容也越來越豐富。表1.1總結了不同應變率對應的荷載類型和適用的試驗裝置\\[9,24,25\\]，以下將對常用的動力試驗方法進行介紹。〖=G〗表1.1不同應變率對應的荷載類型和試驗裝置〖=G1〗應變率（s-1）〖〗10-8〖〗10-7〖〗10-6〖〗10-5〖〗10-4〖〗10-3〖〗10-2〖〗10-1〖〗100〖〗101〖〗102〖〗103範圍〖〗蠕變〖〗準靜態〖〗中等應變率〖〗高應變率荷載類型〖〗恆載〖〗靜力荷載〖〗地震〖〗衝擊〖〗**試驗裝置〖〗應力試驗機〖〗液壓伺服機〖〗特制液壓 伺服機〖〗霍普金森杆〖〗重力落錘〖〗〖=X〗1. 液壓伺服試驗機 液壓伺服試驗機適用於靜力加載或準靜態應變率範圍內的動力加載，一般具有較大的加載能力，部分特制設備采用了快速反應的液壓源和調節閥門，可以完成中等應變率範圍的試驗，設備圖片見圖1.1。由於液壓伺服試驗機的技術發展成熟，能夠取得規範穩定的結果，試驗規程中對於混凝土材料強度的測試規定多是使用液壓伺服機完成。