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摘要：混凝土在冲击爆炸荷载作用下的力学响应与静力荷载作用下有所不同，不仅强度要高于静力荷载下的强度，而且与应变率有关。本文简要概括一下目前混凝土动态力学性能研究现状，并对存在的问题进行简要分析。
关键词：混凝土； 动态； 力学性能；本构关系
Abstract: the concrete in the impact of the explosion load mechanical response and static load is
Keywords: concrete; Dynamic; Mechanical properties; The constitutive relation
混凝土是一种硅酸盐类复合材料，其成份复杂，变化因素多，表现为非均质、非线性及脆性破坏等。人们对其在冲击爆炸荷载作用下动态力学性能展开了大量的研究，混凝土在冲击爆炸荷载作用下的力学响应与静力荷载作用下有所不同，不仅强度要高于静力荷载下的强度，而且与应变率息息相关，即存在着应变率效应；同时动强度还与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。
严少华等（2000）[[15]][3]采用变截面大尺寸的Hopkinson压杆，对直径分别为72mm、62mm的高强混凝土试件进行了冲击压缩试验，得到了不同应变率下的混凝土动态压缩强度及应力-应变全过程曲线，证实了混凝土材料的应变率敏感性。胡时胜等（2001）[[4]利用改装的直锥变截面式Φ74mm大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料试件（Φ72×36）进行了冲击压缩试验。在试验过程中采用预留间隙法，避免这种装置加载头部分对混凝土材料试验数据精度的影响。试验结果表明，混凝土材料不仅具有敏感的应变率效应，还具有十分明显的损伤软化效应。王道荣和胡时胜（2002）[[17]][5]利用大尺寸Hopkinson压杆，以试验数据为依据，研究了四种不同骨料尺寸的普通混凝土材料和两种不同配比的钢纤维增强混凝土材料在冲击载荷下的压缩强度，从唯象的角度分析了骨料性质及其粒径对混凝土材料动态压缩性能的影响及可能的力学机理。
2混凝土动态抗压性能的本构模型研究
陈书宇（2003）[ ][6]在Perzyma的一般粘塑性理论和Bicanic的塑性间断面运动规律的基础上，应用在动态加载条件下混凝土的塑性屈服面和极限面的变化规律来刻画材料的粘塑性响应。建立了应用于冲击和地震荷载下的应变率和应变历史相关的混凝土动态本构模型，给出了动态粘塑性本构关系的详细阐述和有限元的实现方法。对于材料的不同拉压受力状态，使用两种不同的屈服准则—Druck-Prager准则和Mohr-Coulomb准则来描述材料进入屈服状态的力学性质，并给出混凝土梁在三角载荷下的非线性有限元算例。陈书宇（2002）[][7]、陈书宇和沈成康（2005）[[22]][8]先后提出了一个应变率相关的非线性混凝土动态力学模型，改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则，建立混凝土的动态本构模型，该模型可以用于地震和爆炸作用下混凝土结构响应的研究。根据有关实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理检测设，考虑经常被忽略的材料峰值应变随应变率的变化和泊松比随应变率的变化；模型计及了静水压力和动态塑性损伤效应，全面地反映混凝土的力学行为。宁建国和商霖等（2006）[[25]][9]基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究，提出了两种损伤型动态本构模型：损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型。通过模型计算结果与冲击试验结果的比较发现，随着冲击速度的提高，混凝土材料内部产生了显著的塑性变形，因此损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足；而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化，以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形，因而能更好地用于模拟强冲击荷载作用下混凝土材料的冲击响应特性。
3存在的问题
根据国内外的试验及理论研究表明，在高应变率的情况下，混凝土的强度明显提高，在冲击试验中混凝土动态抗压强度同静态强度相比可以提高85～100%甚至更多，而动态荷载下被动约束混凝土的强度要高于素混凝土的强度。但是在同一应变率下，混凝土强度还受到混凝土静态强度、水灰比、养护条件和试件尺寸等因素的影响，如随着水灰比的增加，混凝土的动态抗压强度提高，因此不同的试验结果变化范围很大[9]。对于动载作用下混凝土峰值应变的大小并没有统一的结论。一些文献[10, 11]发现它随着加载速率的增加而减小，而有些文献却认为其随着应变率的增加而增大，也有文献[12]认为它与应变率的关系很小。之所以会出现不同的结论，是因为和抗压强度一样，影响应变的因素很多，并且加载设备的不同导致了试件不同的破坏形态，而测量设备本身也有一定的缺陷。对于初始切线模量随应变率的变化也有不同的结论，大部分文献认为由于开始加载阶段微裂缝较少，即与静态加载混凝土的裂缝发展处在同一等级，初始切线模量对应变率不敏感[10, 12]。
参考文献：
董毓利,谢和平,赵鹏.不同应变率下混凝土受压全过程的实验研究及其本构模型,水利学报,1997,(7):72 77.
武海军,黄风雷,张庆明.混凝土材料动态拉伸断裂强度实验研究.爆炸与冲击,2003, 23（增刊）:5960
[3]严少华,段吉祥,尹放林等.高强混凝土SHPB试验研究.解放军理工大学学报, 2000,1(3):69
[4]胡时胜,王道荣,刘剑飞.混凝土材料动态力学性能的实验研究.工程力学,2001,18(5):115118
[5]王道荣,胡时胜.骨料对混凝土材料冲击压缩行为的影响.实验力学, 2002,17(1):2327
[6]陈书宇.动态载荷下的混凝土本构关系及有限元实现.辽宁工学院学报, 2003,23(1):57
[7]陈书宇.冲击载荷下的混凝土动态力学模型.力学学报增刊,2002,34:261263
[8]陈书宇,沈成康.基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型. 固体力学学报,2005,26(1):6771
[9]宁建国,商霖,孙远翔.混凝土材料冲击特性的研究.力学学报,2006,38(2):199208
[10]Hughes B P, Watson A J. Compressive strength and ultimate strain of concrete under impact loading. Magazine of Concrete Research, 1978, 30(105): 189197
[11]Dilger W H, Koch R, Kowalczyk R. Ductility of plain and confined under different rates. ACI Journal, 1984, 81(1): 7381
[12]Scott B D, Park R, Priestley M J N. Stress-Strain behior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates. ACI Journal, 1982, 79(1): 1327
关键词：混凝土； 动态； 力学性能；本构关系
Abstract: the concrete in the impact of the explosion load mechanical response and static load is
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different, not only the strength to be higher than under the static load of strength, but also related with the strain rate. This paper briefly summarize the current dynamic mechanical properties of concrete research status, and the existent problems in brief analysis.Keywords: concrete; Dynamic; Mechanical properties; The constitutive relation
混凝土是一种硅酸盐类复合材料，其成份复杂，变化因素多，表现为非均质、非线性及脆性破坏等。人们对其在冲击爆炸荷载作用下动态力学性能展开了大量的研究，混凝土在冲击爆炸荷载作用下的力学响应与静力荷载作用下有所不同，不仅强度要高于静力荷载下的强度，而且与应变率息息相关，即存在着应变率效应；同时动强度还与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。
1 混凝土动态抗压性能的试验研究
董毓利等（1997）[[12]]完成了应变率由10 - 5s-1 -102s-1 7个数量级范围内的混凝土受压试验，发现不同的应变率全过程曲线具有很好的相似性，峰值应力和峰值应变随应变率的增加有所提高，但弹性模量基本不变。武海军等（2003）[[14]]对混凝土材料在高应变率加载条件下的动态拉伸断裂强度进行了实验测试。实验得到了混凝土材料的动态拉伸断裂强度与拉伸断裂应变率之间的关系，结果表明在高应变率加载下混凝土材料拉伸断裂强度具有很高的应变率敏感性。严少华等（2000）[[15]][3]采用变截面大尺寸的Hopkinson压杆，对直径分别为72mm、62mm的高强混凝土试件进行了冲击压缩试验，得到了不同应变率下的混凝土动态压缩强度及应力-应变全过程曲线，证实了混凝土材料的应变率敏感性。胡时胜等（2001）[[4]利用改装的直锥变截面式Φ74mm大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料试件（Φ72×36）进行了冲击压缩试验。在试验过程中采用预留间隙法，避免这种装置加载头部分对混凝土材料试验数据精度的影响。试验结果表明，混凝土材料不仅具有敏感的应变率效应，还具有十分明显的损伤软化效应。王道荣和胡时胜（2002）[[17]][5]利用大尺寸Hopkinson压杆，以试验数据为依据，研究了四种不同骨料尺寸的普通混凝土材料和两种不同配比的钢纤维增强混凝土材料在冲击载荷下的压缩强度，从唯象的角度分析了骨料性质及其粒径对混凝土材料动态压缩性能的影响及可能的力学机理。
2混凝土动态抗压性能的本构模型研究
陈书宇（2003）[ ][6]在Perzyma的一般粘塑性理论和Bicanic的塑性间断面运动规律的基础上，应用在动态加载条件下混凝土的塑性屈服面和极限面的变化规律来刻画材料的粘塑性响应。建立了应用于冲击和地震荷载下的应变率和应变历史相关的混凝土动态本构模型，给出了动态粘塑性本构关系的详细阐述和有限元的实现方法。对于材料的不同拉压受力状态，使用两种不同的屈服准则—Druck-Prager准则和Mohr-Coulomb准则来描述材料进入屈服状态的力学性质，并给出混凝土梁在三角载荷下的非线性有限元算例。陈书宇（2002）[][7]、陈书宇和沈成康（2005）[[22]][8]先后提出了一个应变率相关的非线性混凝土动态力学模型，改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则，建立混凝土的动态本构模型，该模型可以用于地震和爆炸作用下混凝土结构响应的研究。根据有关实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理检测设，考虑经常被忽略的材料峰值应变随应变率的变化和泊松比随应变率的变化；模型计及了静水压力和动态塑性损伤效应，全面地反映混凝土的力学行为。宁建国和商霖等（2006）[[25]][9]基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究，提出了两种损伤型动态本构模型：损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型。通过模型计算结果与冲击试验结果的比较发现，随着冲击速度的提高，混凝土材料内部产生了显著的塑性变形，因此损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足；而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化，以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形，因而能更好地用于模拟强冲击荷载作用下混凝土材料的冲击响应特性。
3存在的问题
根据国内外的试验及理论研究表明，在高应变率的情况下，混凝土的强度明显提高，在冲击试验中混凝土动态抗压强度同静态强度相比可以提高85～100%甚至更多，而动态荷载下被动约束混凝土的强度要高于素混凝土的强度。但是在同一应变率下，混凝土强度还受到混凝土静态强度、水灰比、养护条件和试件尺寸等因素的影响，如随着水灰比的增加，混凝土的动态抗压强度提高，因此不同的试验结果变化范围很大[9]。对于动载作用下混凝土峰值应变的大小并没有统一的结论。一些文献[10, 11]发现它随着加载速率的增加而减小，而有些文献却认为其随着应变率的增加而增大，也有文献[12]认为它与应变率的关系很小。之所以会出现不同的结论，是因为和抗压强度一样，影响应变的因素很多，并且加载设备的不同导致了试件不同的破坏形态，而测量设备本身也有一定的缺陷。对于初始切线模量随应变率的变化也有不同的结论，大部分文献认为由于开始加载阶段微裂缝较少，即与静态加载混凝土的裂缝发展处在同一等级，初始切线模量对应变率不敏感[10, 12]。
参考文献：
董毓利,谢和平,赵鹏.不同应变率下混凝土受压全过程的实验研究及其本构模型,水利学报,1997,(7):72 77.
武海军,黄风雷,张庆明.混凝土材料动态拉伸断裂强度实验研究.爆炸与冲击,2003, 23（增刊）:5960
[3]严少华,段吉祥,尹放林等.高强混凝土SHPB试验研究.解放军理工大学学报, 2000,1(3):69
[4]胡时胜,王道荣,刘剑飞.混凝土材料动态力学性能的实验研究.工程力学,2001,18(5):115118
[5]王道荣,胡时胜.骨料对混凝土材料冲击压缩行为的影响.实验力学, 2002,17(1):2327
[6]陈书宇.动态载荷下的混凝土本构关系及有限元实现.辽宁工学院学报, 2003,23(1):57
[7]陈书宇.冲击载荷下的混凝土动态力学模型.力学学报增刊,2002,34:261263
[8]陈书宇,沈成康.基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型. 固体力学学报,2005,26(1):6771
[9]宁建国,商霖,孙远翔.混凝土材料冲击特性的研究.力学学报,2006,38(2):199208
[10]Hughes B P, Watson A J. Compressive strength and ultimate strain of concrete under impact loading. Magazine of Concrete Research, 1978, 30(105): 189197
[11]Dilger W H, Koch R, Kowalczyk R. Ductility of plain and confined under different rates. ACI Journal, 1984, 81(1): 7381
[12]Scott B D, Park R, Priestley M J N. Stress-Strain behior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates. ACI Journal, 1982, 79(1): 1327