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 PAGE \* MERGEFORMAT 0 目录 复合材料细观力学1 TOC \o 1-1 \h \u  HYPERLINK \l _Toc25095 简支层合板的自由振动  PAGEREF _Toc25095 9  HYPERLINK \l _Toc20205 不同条件下对称层合板的弯曲分析  PAGEREF _Toc20205 14   PAGE \* MERGEFORMAT 34 复合材料细观力学  ——混凝土细观力学 一、研究背景 复合材料细观力学 复合材料细观力学是20世纪力学领域重要的科学研究成果之一，是连续介质力学和材料科学相互衍生形成的新兴学科。 近20年来，我国科技工作者应用材料细观力学的理论和方法，成功研究了许多复合材料的增强，断裂和破坏问题，给出了一些特色和有价值的研究成果。 混凝土细观力学 混凝土作为一种重要的建筑材料已有百余年的历史，它广泛应用于房屋、桥梁、道路、矿井、及军工等诸多方面。在水工建筑方面，混凝土也被大量使用，特别是大体积混凝土，它是重力坝和拱坝的主要组成部分，对混凝土各项力学性能的准确把握及应用，在一定程度上决定了水工建筑物的质量和安全性能。 二、研究目的 长期以来，在混凝土应用的各个领域里，人们对混凝土的力学特性进行了大量的研究。如何充分的利用混凝土的力学性能，建造出更经济、更安全和更合理的建筑物或工程结构，一直都是结构工程设计领域研究的重要课题。 三、研究现状 混凝土是由粗骨料和水泥砂浆组成的非均质材料，它的力学性能受到材料的品质、组分、施工工艺和使用条件等因素的影响。过去，人们对混凝土力学性能的研究很大程度上是依靠实验来确定的。随着实验技术的发展，混凝土各种力学性能被揭示出来。但由于实验需要花费大量的人力、物力和财力，而且所得到的实验成果往往由于实验条件的限制也是很有限的。 现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次方法，在对客观世界的研究中，当停留在某一层次，许多问题无法解决时，深入到下一个层次，问题就会迎刃而解。 对混凝土断裂问题的研究归纳为如下四个研究层次： 宏观层次：混凝土这种非均质材料存在着一个特征体积，经验的特征体积相应于3～4倍的最大骨料体积。当混凝土体积大于这种特征体积时，材料被假定为均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将会十分明显。有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变称之谓宏观应力和宏观应变。 细观层次：在这个层次中，混凝土被认为是一种由骨料、砂浆和它们之间的粘结带组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性。细观层次的模型一般是毫米或厘米量级。 微观层次：在这个层次上，认为砂浆的非均质性是由浆体中的孔隙所产生的。由于砂浆中孔隙很小而且量多，随机分布，水泥砂浆可近似看作细观均质损伤体。同配合比、同条件的砂浆试件，通常其力学性能也比较稳定，可由试验直接测定。 纳观层次：混凝土的纳观层次认为水泥浆体本身也是一种随机的复合材料，其组分是未水化的熟料颗粒、水化硅酸钙、氢氧化钙晶体、毛细孔和其他的化学成分，该层次毛细孔的尺寸是微米或亚微米量级。 在过去长期的研究中，人们为了研究上的方便，往往忽略混凝土复杂的内部结构，在对材料宏观本构关系的描述中，这种材料是“黑匣子”，采用唯象学的观点，把它们平均化和均匀化为宏观均匀连续体，并以实验结果为基础发展了弹性、弹塑性以及黏弹塑性的混凝土本构模型。这种方法能够使人们对工程结构的均匀化状态有一个总体上的认识，可以作为工程设计的依据和参考。但是，这些模型无法深入了解混凝土在外力作用下内部微裂纹萌生、扩展及其贯通，直至宏观裂纹形成，促使试样失稳破裂的整个过程，更无法反映混凝土断裂过程中表现出来的变形局部化和应力重分布等基本特征。 四、研究方法 事实上，材料的宏观断裂过程必然与其细观的非均匀结构是密切相关的，因而，进行材料微、细观结构的模拟对于了解混凝土宏观断裂机理是非常有意义的。 进行混凝土材料的断裂过程以及破坏机理的研究，必须从混凝土的细观结构入手，利用细观力学的研究方法，抓住混凝土材料及其力学性质的非均匀性，借助统计学和数值计算方法，以实验结果为基础建立数值模型，进行混凝土断裂过程的数值模拟。 从混凝土试样的抛光断面上（如下图1），很容易鉴别的两个相是不同尺寸、形状的骨料颗粒以及分布紊乱的硬化水泥浆体物质所组成的胶凝性介质，因此从宏观水平而论，混凝土可视为由骨料颗粒分散在水泥砂浆基质中所组成的材料。 图1 混凝土试样的抛光断面上 从细观水平而言，结构的两个相既不是彼此均匀分布，其本身也不是均匀的，显示出一定的非均质复杂性。事实上，在混凝土实验中观察到的很多现象以及混凝土在应力