高温环境下混凝土力学试验与数值模拟研究.pdf

摘要

西部大开发战略以来，我国西部地区高温引水隧洞工程越来越多，但洞内的

高温环境不仅给工程施工带来了很大的麻烦，同时也给隧洞工程带来了极大的安

全隐患，为了给实际工程的建设提供一定的理论指导。本文设置了5种温度工况，

进行了有针对性的室内试验。并与非接触全场应变系统相结合，对不同温度环境

下混凝土的力学性能和应变变化规律进行了探究。并基于颗粒流法构建了相应的

热力耦合模型，通过离散元数值模拟结果与物理试验结果对比分析，对颗粒流热

力耦合模型的模拟效果进行了验证。然后用验证的颗粒流热力耦合模型从细观角

度对混凝土在高温环境下的力学性能变化的一般规律及细观机理进行分析。主要

研究成果如下：

(1)基于设计的5种温度工况，研发了可以配合压力试验机实现混凝土试样

高温加载的试验装置。并且实现了高温试样加载过程中，非接触全场应变系统的

同步试验。

(2)通过进行混凝土高温加载试验，发现高温环境对于混凝土峰值强度、弹

性模量和峰值应变有较明显的影响，混凝土峰值应力和弹性模量随温度的增加而

衰减，混凝土的峰值应变随温度的增加而增加。

(3)不同温度下应变云图的演化特征可以反映混凝土宏观性能变化的原因。

与常温试样比，高温作用下会使试样拉伸应变、压缩应变分量增加，但40℃、

60℃、80℃变化不大；而剪应变分量有随温度增加而增大的趋势；单轴试验达到

峰值以前拉伸应变、压缩应变和剪切应变分量持续增加，达到峰值以后，拉伸、

压缩应变分量增加速度变快。

(4)通过建立混凝土颗粒流热力耦合模型进一步分析研究了混凝土高温损伤

规律，并通过试验验证了模型的正确性。进而利用验证后的模型从细观角度揭示

了混凝土内由于砂浆和骨料的膨胀系数不同而产生的温度应力和微裂缝，是造成

试样峰值强度、弹性模量衰减的细观机理。

关键词：高温环境；混凝土；数字图像；离散元法；热力耦合

Abstract

Sincethewesterndevelopmentstrategy,therehavebeenmoreandmore

high-temperaturediversiontunnelprojectsinthewesternregionofChina.However,

thehigh-temperatureenvironmentinthetunnelnotonlybringsgreattroubletothe

constructionoftheproject,butalsobringsgreatsafetyhazardstothetunnelproject.

Inordertoprovidecertaintheoreticalguidancefortheconstructionoftheactual

project.Inthispaper,fivekindsoftemperatureconditionsareset,andtargeted

laboratorytestsarecarriedout.Combinedwiththenon-contactfull-fieldstrainsystem,

themechanicalpropertiesandstrainvariationrulesofconcreteunderdifferent

temperatureswereinvestigated.Acorrespondingthermodynamiccouplingmodelis

constructedbasedontheparticleflowmethod,andthesimulationeffectofthe

thermodynamiccouplingmodelisverifiedbycompa