冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型.pdf

中国科学G辑:物理学力学天文学2008年第38卷第6期:759~772《中国科学》杂志社www.scichina.comphys.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型宁建国①*,刘海峰①②,商霖①①北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081;②宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏750021*E-mail:[e-mail]收稿日期:2007-12-11;接受日期:2008-03-26国家自然科学基金资助项目(批准号:10625208)摘要基于连续损伤力学理论、统计细观理论和Perzyna黏塑性本构方程,关键词构造了一个塑性与损伤相耦合的本构模型来描述混凝土材料在强冲击载荷混凝土材料作用下的应力-应变响应特性.在该模型中假设:1)宏观上混凝土材料是一冲击特性个均匀连续体,而从细观分析其内部则包含了大量随机分布的微裂纹和微空损伤演化本构模型洞等损伤缺陷;2)混凝土材料的损伤演化是由其内部拉伸应力作用下微裂纹扩展的累积而引起的,导致了材料强度和刚度的弱化;3)随着微空洞的塌陷,混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形,体积模量也相应增加,将这一过程看作是微空洞损伤的演化发展;4)微裂纹和微空洞损伤之间不发生相互作用;5)当裂纹扩展累积到一定程度时,混凝土材料发生粉碎性破坏.利用实验结果确定模型所需参数,并将利用该模型得到的模拟曲线与实验测试曲线进行比较,结果表明两者较一致.混凝土是目前工业与民用建筑中最常用的结构工程材料,已经被广泛地应用于高层建筑物、长跨桥、大坝、水电站、隧道、码头等.这些混凝土结构在其工作过程中除了承受正常的设计载荷外,往往还要承受诸如爆炸、冲击和撞击等动载荷.为了更好地设计和分析这些混凝土结构,必须对混凝土材料在冲击载荷作用下的力学性能及其本构特性进行研究.目前,人们对混凝土材料的动态力学性能已经有了比较深刻的认识和研究,对其动态本构特性也做了许多研究工作.Watstein[1]利用落锤装置进行了混凝土材料的动态力学性能实验,由于落锤本身的惯性,所测得的实验结果很难确保是材料动态性能的真实反应;Bischoff等人[2][3][4~7]和胡时胜等人利用SHPB压杆对混凝土的动态力学性能进行了实验研究;Ning等人利用SHPB压杆分别对混凝土材料和钢筋混凝土材料在冲击荷载作用下的力学性能进行了系统、深759宁建国等:强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型入的研究.混凝土材料动态本构模型是研究其在爆炸或冲击荷载作用下损伤破坏机理、应力波的传播规律和衰减规律、结构破坏效应等的理论基础.目前,混凝土动态载荷下本构特性的研究已有一定的基础,主要包括下面3个方面的研究:(ⅰ)基于实验结果回归分析建立强度、弹性模量等力学参量与加载速率之间的关系[1~3],但具体定量结论尚不一致,数据较为分散;(ⅱ)在已有本构模型的基础上,经过修改,得到新的本构模型[4~6];(ⅲ)基于材料变形机理的本构模型的建立,大体上分为两类,一类是建立在黏弹塑性力学基础上的本构模型[7,8],一类是建立在损伤力学基础上的本构模型[9,10].然而,它们都不能很好地描述冲击荷载作用下混凝土材料的动态响应特性.为了更好地描述冲击荷载作用下混凝土材料的动态响应特性,李兆霞[11]和宁建国等人[12]提出了含有损伤的黏塑性本构模型;宁建国等人[4~6]在理想的各向同性黏弹性本构方程和损伤耦合的基础上建立了混凝土和钢筋混凝土材料的动态本构关系;Burlion等人[13]提出一个基于损伤与塑性相耦合的本构模型.在该模型中,考虑了引起混凝土材料弹性模量弱化的两种不同的损伤机制:拉伸损伤和压缩损伤,其中拉伸损伤是由微裂纹的张开和扩展引起的,通过正的弹性应变来控制;压缩损伤相关于微空洞的塌陷,由塑性应变来控制,由此压缩损伤和塑性应变就完全耦合了.这两种类型的损伤都通过标量形式的损伤变量来描述,且对弹性模量的影响是双重的,同时假设材料损伤是各向同性的.随后,Ragueneau等人[14]也提出了一个相似的混凝土材料本构模型.但由于缺乏对混凝土材料在冲击荷载作用下破坏机理的全面认识,因此至今仍未有一种大家普遍接受的本构模型.本文基于损伤与塑性耦合的理论,发展了一个本构模型用于描述混凝土材料在强冲击荷载作用下的力学特性.宏观上,假设混凝土材料是一个均匀连续体;而从细观角度来看,混凝土材料内部存在大量随机分布的微裂纹损伤和微空洞缺陷.假设微裂纹是均匀分布,且符合理想微裂纹体系统条件,由此基于统计细观的理论定义了一无量纲化的损伤变量——裂纹密度来表征微裂纹损伤所引起的混凝土材料宏观力学性能的劣化.随着微空洞的塌陷,混凝土材料被压缩密实,体积模量也相应增大.同时,在混凝土