1、第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，黄强基于黏弹性损伤模型的水工混凝土破坏过程能量演化特征研究水利科学与寒区工程，（）：基于黏弹性损伤模型的水工混凝土破坏过程能量演化特征研究黄强（广东省源天工程有限公司，广东 广州 ）摘要：为研究北江支流连江英德水利枢纽水工混凝土力学特征，采用室内试验方法开展了混凝土力学试验，并结合黏弹性损伤模型进行混凝土加载破坏过程能量演化特征分析。试验结果表明，温度与混凝土承载能力具有正相关，但增长效应在减弱，同时混凝土脆弹性变形能力在增强。研究得到应变速率与混凝土承载能力也为正相关，当应变速率增大个量级，则峰值应力可提高 ，同时混凝土变形破坏作用由延塑
2、性演变至脆弹性。基于损伤模型能量特征计算，获得弹性应变能、耗散能均与温度、应变速率为正相关关系；弹性应变能随温度热作用影响在 后减弱，而随应变速率影响节点较峰值应力提前；应变速率愈大，耗散能在屈服变形破坏段更大。研究成果可为探讨水工混凝土力学影响特征及能量演化特征提供参考。关键词：黏弹性损伤模型；水工混凝土；能量演化；力学中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：黄强（），男，湖南衡阳人，工程师，主要从事水利工程施工工作。：。工程概况北江作为粤北地区重要地表干流，支流众多，流域面积超过 的支流超过 条。众多支流汇入北江，极大丰富了北江水资源，这对于梯级开发北江水资源具有先天自然
3、优势。从北江干流控制流域调研得知，目前各支流中较大的支流有武江、连江等，北江上中心枢纽为飞来峡水利枢纽，是对武江与北江汇入区水位进行调节、水利开发等。连江作为英德、清远地区重要输水通道，系统性开发水资源有助于提升供水、发电、通航以及水生态，为此北江与连江管理部门考虑对连江进行综合性水资源开发，在英德下游 处建设英德水利综合枢纽，规划属于级水工建筑，蓄水库最大库容为 万，工程建设内容包括有拦水主坝、引水隧洞、输水工程、发电厂房以及泄流设施等，计划施工使用水工混凝土量可达 万，而拦水主坝所使用的混凝土占据超过。根据对英德水利枢纽分析得知，规划建设主坝最大坝高为 ，所使用的水工混凝土掺有的特种剂，确
4、保主坝混凝土较大的抗动水冲击。泄流建筑包括有溢洪道与泄洪水闸，全轴长为 ，包括有泄槽、引水段以及消能段，不论是溢流面首级台阶或是下游消能池，均采用与主坝同类型水工混凝土进行浇筑施工，工程测试最大放热温度可达 。同样的，泄洪闸规划为弧形闸面，单孔设计，配置有预应力锚索与溢洪道相连接，确保泄洪闸运营与溢洪道相协调，整个泄流建筑配置混凝土量预计达 万。综合工程规划设计可知，不论是拦水主坝抑或是泄流建筑，混凝土材料的应用面较广，其力学稳定性与工程环境以及运营水平密切相关。因而，对该拟建英德水利枢纽混凝土材料开展基础试验研究很有比要。材料与方法 试验设备为确保试验结果准确性，采用室内力学试验方法 对 水
5、 工 混 凝 土 开 展 力 学 研 究，所 使 用 试验设备，最大荷载可达 ，具有多物理场耦合环境箱，可完成耦合、干湿或冻融等不同物理环境下力学试验。该试验系统配置有精密 位移监测设备与系统自测位移装置，两种监测设备均可实时传输相关位移数据至中控系统，方便试验中及时了解试样所处力学环境，确保试验过程可视化与可控相结合。试验中使用的 量程为 ，系统自测位移上限值为，但试验中为保护加载平台内相关设备，设置安全允许值。轴向荷载采用液压程控，具有多层次控制步序，可适应不同应变速率以及力学控制方式下加载方式。该实验系统中耦合的物理环境箱最大温度可达 ，低温最低可至 ，采用电热传导方式实现受热均匀，可外
6、接吸力装置实现干湿循环，全设备试验中最大振动频率不超过 ，试验精度满足试验规程需求。借助室内车床加工方法对工程现场取样样品制备，物理测试表明混凝土中水胶比为 ，孔隙度为 ，砂率为 ，按照室内力学样品径高比的要求，制备直径、高度分别为、的试样，在恒温恒湿环境下养护 后再进行力学加载。本试验以高温热作用作为模拟工程环境，在试验设备物理环境模拟箱内加载温度速率为 ，加载至目标温度后，恒温，确保试样完全受热。加载方式采用应变控制，以应变速率来模拟工程运营过程中混凝土所受冲击作用。从工程环境以及运营特征考虑，本试验中设定有温度热作用与应变速率两种试验方案，综合工程实际设计温度分别为 、，应 变 速 率
7、设 定 有 、四个方案，所使用的水工混凝土配合比及掺加剂均为同一类型。基于上述各设计试验方案开展水工混凝土的单轴力学破坏试验，综合黏弹性损伤模型考虑混凝土的损伤演化特征。黏弹性损伤模型损伤模型本质上乃是反映了岩石或混凝土在加载破坏过程中内部能量的释放、消耗过程，从能量特征角度可分析评价混凝土损伤破坏特征。引入 自由能参数，并设定该自由能组成部分为黏弹性与黏性损伤，如式（）：（，）（，）（）式中：（，）为弹性能；为应变变量；为温度；（，）为损伤自由能；为损伤变量。本文水工混凝土破坏过程能量演化特征计算即式（）为基础，从能量特征评价水工混凝土受高温作用及应变速率影响特性。水工混凝土能量演化特征研究
8、图不同温度下加载应力应变特征 耦合作用基于热力耦合试验下，经数据处理获得了水工混凝土试样在不同温度下加载应力应变特征，如图所示。由图中力学特征可知，当热作用温度愈高，则混凝土试样加载应力水平愈高，但加载应力随之 增 幅 效 应 在 逐 渐 减 弱，特 别 是 在 温 度 后，应力水平增幅放缓；峰值应力对比来看，在温度 下为 ，而温度 、下试样较前者分别增长了 倍、倍、倍，当物理场温度每递增，则试样 峰 值 应 力 平 均 可 增 长 ，但 在 温 度 内，峰 值 应 力 的 涨 幅 最 大 仅 为 ，甚至 温 度 下 峰 值 应 力 较 之 温 度 下仅有增幅。由此可知，水工混凝土在高温热作用
9、下具有增幅上限，当温度逐步递增，其承载应力水平的促进作用会逐渐减弱，而此与混凝土内部晶体颗粒膨胀有关，每一颗晶体颗粒的膨胀变形终究是有限的，当高温热作用超过晶体颗粒可承受界限，此时温度热促进作用很可能水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷会转变至热损伤效应。从变形特征来看，温度愈高，试样峰值应力后应力跌幅愈快，具有突发性与迅捷性，此一定程度上体现着高温热作用促进了水工混凝土内部脆弹性变形破坏。基于黏弹性损伤本构模型计算出不同温度热作用下水工混凝土弹性应变能与损伤耗散能演化特征，如图所示。图不同温度下混凝土破坏过程能量演化特征由图中可知，弹性能的变化过程与应力应变演化有所类似，具有“缓增递增递减
10、”阶段特征；当温度愈高，混凝土试样弹性应变能愈大，峰值能量对应于峰值应力所在应变，在温度 时峰值能量为 ，而温度、下 试 样 峰 值 能 量 分 别 增 高 了 倍、倍、倍，当温度递增，则弹性应变能可提高 ，且在温度超过 后，弹性应变能的递减变化处于减弱态势，此现象于峰值应力的变化一致。相比之下，耗散能在加载破坏过程中呈“平静递增”两阶段特征，第一阶段平静期主要由于混凝土弹性变形阶段无加载损伤产生，仅存在初始裂隙的闭合作用，而进入屈服变形后，耗散能增长，特别是在峰值应力后耗散能增幅较显著，且温度愈高，则耗散能的增幅愈显著，如温度 、下耗散能增幅分别达 倍、倍，而温度 下仅为 倍，与弹性能不同，
11、温度升高，耗散能增大，但变幅受温度影响具有同一性，即使在温度 后各温度方案间也保持相接近。应变速率影响图为基于不同应变速率试验方案获得的混凝土应力应变特征。从图中可知，应变速率混凝土加载应力水平具有正相关关系，应变速率 下试样峰值应力为 ，而减小个、个图不同加载速率下应力应变特征量级后，峰值应力分别达 、，当加载速率每提高一个量级，则混凝土峰值应力可增大 。分析表明，应变速率愈大，混凝土试样内部裂隙的形成更易受限，导致宏观破坏裂纹的形成处于限制，故而承载应力水平得到提高。当应变速率较低时，混凝土试样变形较大，且在峰值应力后长期具有较大应变，处于延塑性变形状态，应变速率愈低，此种现象更显著，在应
12、变速率 下试样峰值后期应力降幅为 ，而速率 、下应力降幅分别仅为 、，即应变速率可促发试样从延塑性变形主导逐渐转变至脆弹性主导。同理，从不同应变速率下获得了试样弹性应第期黄强基于黏弹性损伤模型的水工混凝土破坏过程能量演化特征研究变能、耗散能演变特征，如图所示。由图中能量参数变化可知，不论是弹性应变能或是耗散能，其随应变变化特征不受应变速率影响，均具有完整的演变过程，如弹性应变能的“递增递减”过程。当应变速率愈高，弹性应变能愈大，但峰值应变能与峰值应力所对应的应变有所差异，较之峰值应力均有所提前，如在应变速率 下峰值应变能为 ，对应的应变为 ，而峰值应变为 。当应变速率每提高一个量级，其峰值弹性
13、应变能可增大 。相比之下，耗散能的变化在应变后才具有显著差异，应变速率愈高，则耗散能的增幅愈大，但耗散能递增持续阶段变形较低。分析认为，应变速率愈大，其变形累计较慢，宏观裂纹的形成往往集中在某一时刻突然性爆发，因而耗散能呈短而高的特征。图不同加载速率下混凝土破坏过程能量演化特征结论（）温度愈高，混凝土承载应力愈高，但提高效应减弱，特别在温度 后承载应力增幅较小；受高温热作用影响混凝土试样脆弹性变形能力增强，峰值后应力降幅较大。（）温度愈高，混凝土弹性应变能愈大，且峰值弹性应变能所在应变与峰值应力一致，当温度每递增，则应变能可提高 ，且在温度 后具有减弱态势；耗散能呈“平静递增”两阶段特征，且与
14、温度具有正相关关系。（）应变速率愈大，混凝土承载应力愈高，每个量级速率的提升，可导致试样承载峰值提高 ；应变速率增大的过程，混凝土变形主导逐步由延塑性转变至脆弹性。（）应变速率与弹性应变能、耗散能均具有正相关关系，但峰值应变能对应的应变较峰值应力有所提前；耗散能在屈服变形破坏阶段增幅以高应变速率下更大。参考文献：李佳帅，徐超外掺碳化硅混凝土力学性能的试验研究山西建筑，（）：乔吉超，梁淑一，张浪渟黏弹性本构关系构建方法及应用举例力学与实践，（）：常龙龙，乐风江基于粘结滑移理论的混凝土梁裂缝扩展数值模拟混凝土世界，（）：申海洋，刘凌晖，任磊高温作用下轻骨料混凝土力学性能研究铁道科学与工程学报，（）：王攀峰，曹玉贵，邓晓光，等不同应变速率下橡胶混凝土损伤本构模型硅酸盐通报，（）：水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷
