混凝土材料动态本构特性研究进展

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1、混凝土材料动态本构特性研究进展摘要：混凝土是一种应用广泛的结构工程材料，其材料组份复杂、变化因素多，因而力学特性也复杂多变。动态/强冲击载荷作用下，还涉及了材料应变率敏感效应和静水压力相关特性等诸多影响因素，使得其本构理论的研究更加困难。本文中，回顾了近20多年来混凝土材料动态力学特性和本构关系研究方面的进展状况，主要总结了一些混凝土材料动态本构特性研究中的经验公式、强度理论和本构模型，并在分析比较的基础上给出了相应的讨论和评述。关键词：混凝土，动态力学特性，动态本构关系，强度理论，损伤与断裂中图分类号：0347文献标识号：A1.引言混凝土材料主要是由水硬性

2、材料——水泥和粗、细骨料，加水混合，相继经过搅拌均匀、浇注成形、振捣密实和温湿养护等工序后逐渐凝固而成的人工建筑材料。其用于结构工程已有近百年的历史，至今已经成为世界上应用最广泛的结构材料之一，也是安全防护工程中最常用的重要工程材料。实际使用中，不论是民用的还是用于国防建设的，混凝土结构在其工作过程中除了用于承受正常设计载荷（通常是准静态载荷，有时也包括蠕变载荷）外，往往还要承受各种变化急剧的强动载荷，例如爆炸、冲击和撞击等。因此，研究混凝土材料在不同载荷形式（包括准静态、动态和冲击载荷）作用下的力学特性及其本构关系具有十分重要的理论意义和实际指导作用。混凝

3、土是一种非均质、不等向的多相复合材料，其主要组成成分包括了：固体颗粒和硬化水泥砂浆，以及二者之间存在着的大量的微裂纹和微空洞。其中固体颗粒和硬化水泥砂浆的力学性能如应力强度和弹性模量等存在着很大的差异，再加上这些随机分布的微裂纹和微空洞的存在，都决定了混凝土材料力学特性的复杂、多变和离散。同时，在制备和硬化过程中的时间因素和外部环境（如温度、湿度等）条件等，对混凝土材料的力学特性也有不同程度的影响。就准静态载荷情况而言，混凝土材料在简单受力（单向拉伸、压缩）和多轴应力状态下的力学特性及其本构关系的研究已基本完善。学者们在大量实验研究和理论分析的基础上，提出了

4、多种多样的本构模型，根据这些模型对混凝土材料力学特性的概括，可分成4个大类：线弹性模型，非线弹性模型，塑性理论模型，其它理论模型。其中，、类模型是将一些成熟的力学体系（即弹性力学和塑性力学理论等）的观点和方法作为基础，移植到混凝土材料，这方面的工作可参见综述性文献【1】和近期研究文献【2,3,4】；类模型则是借鉴一些新兴的力学分支，如损伤、断裂理论等的概念和方法，结合混凝土材料的特点而提出，有关内容可参见综述性文献【5,6】和近期研究文献【4,7~9】；类模型主要是依据混凝土材料准静态实验数据和规律，进行总结和回归分析而得到的，具体可参见文献【10,11,1

5、2】。一般认为，在动态载荷作用下引起混凝土材料力学特性显著区别于其准静态下情况的主要影响因素是材料的应变率敏感效应。因此，混凝土材料率敏感效应的研究一直都得到了研究者们的重视和关注。早在1917年，Abrams[13]就对混凝土材料进行了应变率响应为和下的压缩实验，发现混凝土材料抗压强度存在应变率敏感性。从此，学者们对混凝土材料在不同载荷形式作用下的力学特性进行了系统的实验研究，其中也包括了对水泥品种、水灰比、试件湿度、试件制备、养护条件和养护时间以及骨料粒径等影响因素的研究。Bischoff[14]在分析比较这些实验研究结果的基础上对混凝土材料在高应变率下

6、的抗压特性从各个方面进行了总结性的综述说明。由于受到实验设备和实验技术条件所限，人们对混凝土材料动态拉伸下力学特性的认识相对还比较粗浅，所进行的实验研究也较晚且较少。日本学者竹田仁一等[15]于1960年最先进行了混凝土材料在快速加载下的直接拉伸实验。当应变率响应为时，抗拉强度提高33%，当应变率响应为时，抗拉强度提高了55%。此后，陆续有人对混凝土材料动态拉伸特性进行了实验研究。通过总结前人的实验研究结果，Malvar[16,17]在其综述性文献中描述了混凝土材料抗拉强度的应变率敏感性。图1[18]给出了在不同载荷形式（蠕变、准静态、动态和冲击载荷等）作用

7、下材料应变率响应的大致范围。一般来说，随着应变率的提高混凝土材料的抗拉强度和抗压强度都会有明显的增强，并且在同一应变率量级变化范围内抗拉强度的相对增强效果比抗压强度的相对增强效果更显著一些，如图2和图3比较所示。图1不同载荷形式下材料应变率响应图示动态/准静态抗拉强度动态/准静态抗压强度应变率应变率图2相对抗压强度随应变率的变化图3相对抗拉强度随应变率的变化（a）冲击压缩情况（b）冲击拉伸情况图4混凝土受力状态图Bischoff[14]，Grote[19]和Li[20]等人认为，冲击载荷作用下混凝土材料抗压强度的相对增强很大程度上应归于横向惯性约束作用的存在

8、，这种约束作用是和材料的静水压力特性相关的，而并非完