采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能:综述和展望

超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便,激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后,声学超材料被提出,可对声波进行类似的操控,实现消声和隔音。与之相似,力学超材料也应运而生,可利用带隙特性对应力波进行处理,实现消波、滤波,提升结构的防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用,其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙,实现特定频率应力波的阻断。可见,超材料混凝土从波的操控角度实现了防护性能,与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的本质不同,具有明显的创新性,开展相关研究对提升结构的防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今的主要研究进行系统梳理,立足于工程应用视角,对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述,最后总结了当前研究的主要结论,并紧扣工程实际应用提出了对未来研究的展望。

具有减振功能的混凝土超材料的带隙特性

基于局域共振理论,提出了一种新型减振材料—混凝土超材料的结构模型,并通过增加基体中谐振骨料的种类,增加了元胞的带隙数量.利用有限元法,对比分析了单、双以及三谐振骨料混凝土超材料元胞的能带结构、本征模态和衰减特性,研究了带隙的产生机理和影响因素,根据等效质量法推导了带隙计算式.结果表明:混凝土超材料元胞具有带隙特性,且随着基体中谐振骨料种类的增加,带隙数量增多,但每条带隙的宽度降低,谐振骨料种类与带隙之间存在一一对应的关系;带隙的起始频率由对应元胞散射体的平移振动决定,而截止频率则由对应元胞散射体与其他所有单元之间的反向振动决定;通过合理配置元胞的材料和几何参数,可以优化带隙的位置和宽度;等效质量法的带隙计算值与有限元法吻合良好,可用于多谐振骨料混凝土超材料元胞的带隙计算.

超高性能混凝土材料在桥梁工程中的应用

随着我国经济科技水平的不断发展和提高,桥梁施工行业发展迅速,人们对桥梁施工材料的需求不断增加,UHPC超高性能混凝土具有高质量、高强度、耐用性良好等性能,广泛应用于工程桥梁,还可以满足建筑结构、承载标 准、承受恶劣环境等方面的需求,所以能够适用于现代公路桥梁建设。 本文讨论了我国高强度混凝土发展的现状以及高性能混凝土在桥梁施工中的应用。

超高性能混凝土材料在装配式建筑中的应用

在混凝土材料中,超高性能混凝土在力学性能、耐久性能等方面更加优秀。应用超高性能混凝土进行装配式建筑施工时会采用预制加工方式,从而保证装配式建筑构件的标准化与规模化。而且超高性能混凝土还具有强度高、轻量化的特点,在应用时可以为运输及安装等工作提供便利并实现成本节约目标,最大限度地保证装配式建筑的建设质量,更好地推动装配式建筑行业发展。

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。

超材料混凝土减振性能研究现状与展望

超材料混凝土作为一种具有振动衰减效应的新型材料,由包裹弹性软涂层的金属重芯取代天然粗骨料,与砂浆搅拌而形成。当受动力作用时,超材料混凝土能够利用人工骨料局部共振产生的带隙,衰减混凝土的振动响应。近年来,超材料混凝土因其在高频动力作用下显著的减振性能,在结构抗爆抗冲击领域受到了高度关注,通过改变人工骨料的结构,已经研发出多种形式的超材料混凝土,并针对其振动衰减性能开展了系统的理论分析、数值模拟和试验研究。为推动超材料混凝土在土木工程领域的研究和应用,该研究对超材料混凝土减振性能的研究工作进行了系统地归纳总结,探讨了超材料混凝土在工程性能方面存在的问题和瓶颈,并对超材料混凝土减振性能的研究方向和应用前景进行了展望。

拟声子晶体超材料混凝土的低频带隙特性与工程应用

超材料混凝土是具有弹性波带隙特性的新型复合材料,但因较高的带隙频率和较窄的带隙宽度使其在以低频振动控制为主的工程应用上受到很大限制.首先,本文基于局域共振理论,提出了一种新型三组元水泥基拟声子晶体模型,据此研发出拟声子晶体超材料混凝土.其次,计算和分析了拟声子晶体超材料混凝土的能带结构、带隙机理和频率响应函数,并开展了拟声子晶体超材料混凝土的室内试验.最后,用研发出的拟声子晶体超材料混凝土制备了拟声子晶体超材料混凝土地铁道床,并应用到实际地铁工程中以解决地铁运营过程中产生的低频振动问题.结果表明,拟声子晶体超材料混凝土在200 Hz频段内打开了6个低频带隙,在带隙频率范围内,衰减值大多都在10 dB以上,衰减效果较好;拟声子晶体超材料混凝土地铁道床在200 Hz频段内具有显著的低频减振效果,隧道壁三分之一倍频程插入损失的最大值为13.22 dB,隧道壁铅垂向最大Z振级差值为5.052 dB,隧道壁铅垂向最大分频振级差值为5.926 dB,4~200 Hz频段内铅垂向分频振级差值平均值为5.74 dB,低频减振效果明显.本文的相关研究成果为地铁工程和其他工程建设中解决低频振动难题提供了新的技术途径,突破了土木工程结构的传统减振控制技术.

多重谐振水泥基声子晶体带隙特性研究

为了拓宽混凝土超材料弹性波衰减带的范围,本工作基于局域共振理论提出了一种多重谐振水泥基声子晶体。利用有限元方法,计算了多重谐振水泥基声子晶体的能带结构、本征模态和衰减特性,研究了带隙产生机理和影响因素,根据质量-弹簧系统推导了带隙估计式,分析了混凝土超材料充填层结构的减振性能。结果表明:多重谐振水泥基声子晶体在1~400 Hz频段内具有两个带隙,其中带隙的起始和截止频率由散射体Ⅰ、散射体Ⅱ和水泥砂浆基体的振动模式决定;包裹层的弹性模量、泊松比以及厚度是影响带隙的主要因素;由多重谐振水泥基声子晶体组成的混凝土超材料充填层结构在1~400 Hz频段内的加速度级均小于普通自密实混凝土充填层结构,特别是在带隙频段范围内振动降低了6~9 dB。

超材料混凝土抗冲击效应数值研究

作为一种广泛应用的工程材料,混凝土材料抗拉强度低的缺点限制了其应用.当高速冲击荷载作用在混凝土结构上时,由于混凝土的脆性和较低的抗拉强度,结构后部的混凝土通常会产生严重的层裂破坏.因此,有效降低混凝土的层裂破坏对于提高结构性能很重要.近些年学者提出了局域共振超材料,它利用人造微结构的存在能使该超材料呈现出天然材料所不具备的超常物理性质.本文借鉴局域共振超材料的工作原理,通过将混凝土中的部分天然骨料替换为人工骨料超材料来降低冲击荷载下的层裂破坏.通过LS-DYNA,建立考虑随机分布的砂浆、天然骨料和人工骨料的超材料混凝土三维细观模型来进行层裂实验的数值模拟.研究超材料混凝土在冲击荷载作用下的材料性能以及人工骨料的材料属性和几何属性对超材料混凝土动态性能的影响.

超高性能混凝土连接的装配式现浇混凝土框架抗震性能

将超高性能混凝土材料(UHPC)浇筑于预制装配式框架结构的节点核心区,能有效改善预制梁、柱等构件受力钢筋的复杂连接形式,更好地应对节点核心区的复杂应力,以提高其结构的整体性及抗震性能。通过对1榀新型装配式钢筋混凝土框架和1榀整浇对比框架进行拟静力试验,对比分析二者的破坏形态、受力情况等抗震性能。试验结果表明:装配式框架节点受力钢筋连接采用短连接和搭接形式易施工且安全可靠,UHPC材料的使用有效改善了节点的受力性能,提高了框架的承载力和抗侧刚度;两榀框架的滞回曲线形状及饱满程度较为接近,位移延性和耗能能力基本处于同一水平;装配式框架的强度及刚度退化情况与整浇框架基本相似。新型预制装配式框架的抗震性能基本等同现浇水平。

Ultra-High Strength Concrete Mixtures Using Local Materials

This paper presents the development of ultra high strength concrete （UHSC） using local materials. UHSC mixture proportions were developed using local materials so that UHSC may be made more affordable to a wider variety of applications. Specifically, local sand with a top size of 600 um, and locally available Type I/II cement and silica fume were used in this research. Each of these material selections is seen as an improvement in sustainability for UHSC. Two mixtures （one with and one without fibers） were recommended as the UHSC mixtures. The greatest compressive strengths obtained in this study were 165.6 MPa for UHSC with steel fibers and 161.9 MPa for UHSC without fibers. The compressive and flexural strengths obtained from the UHSC mixtures developed in this work are comparable to UHSC strengths presented in the literature. Producing this innovative material with local materials reduces the cost of the material, improves sustainability, and produces mechanical performance similar to prepackaged, commercially available products.