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《冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型-高电压技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第29卷第3期爆炸与冲击Vol.29,No.32009年5月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESMay,2009文章编号:1001-1455(2009)03-0261-07*冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型刘海峰1,2,宁建国1(1.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,宁夏银川750021)摘要:将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby
2、等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。关键词:固体力学;动态本构模型;细观力学;混凝土;冲击荷载中图分类号:O347.5国标学科代码:130·35文献标志码:A1引言混凝土是工业与民用建筑中常用的结构工程材料。混凝土结构在工作过程
3、中除了承受正常的设计载荷外,往往还要承受爆炸、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,有必要研究混凝土材料在冲击载荷作用下的本构特性。混凝土材料动态本构模型是研究混凝土在爆炸或冲击荷载作用下的损伤破坏机理、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,对混凝土材料在动态载荷下本构特性的研究已有一定的基础,主要包括3个方面:(1)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[1-2],例如T.J.Holmqusit[3]等提出的HJC模型成为计算软件LS-DYNA中混凝土材料的本构模型;(2)
4、在已有本构模型的基础上,经过修改,得到新的本构模型[4-5];(3)基于材料变形机理的本构模型的建立,大体上分为2类:建立在粘弹塑性力学基础上的本构模型[6-7]和建立在损伤力学基础上的本构模型[8-9],S.J.Eibl[10]等将应变率效应的影响直接引入微裂纹损伤演化发展过程,从而把率无关损伤模型推广到率相关损伤模型。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,宁建国等[11]在塑性和损伤耦合的基础上提出新的粘塑性本构模型;商霖等[4-5]在理想的各向同性粘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。
5、但由于缺乏对混凝土材料变形机理的全面认识,至今仍没有一种大家普遍接受的本构模型。目前从细观力学着手对混凝土材料在冲击荷载作用下力学性能及本构特性的研究还较少。本文中将混凝土材料看成水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假定水泥砂浆基体和粗骨料增强颗粒界面结合完好,水泥砂浆基体是弹性、各向同性的,粗骨料颗粒为球形,且随机分布。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby等效夹杂理论推出混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,结合混凝土材料在冲击荷载作用
6、下的破坏机理,运用细观力学方法推导微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程,建立混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型。2混凝土材料弹性模量的确定将混凝土材料看成水泥砂浆基体(0相、刚度张量L0、体积比c0)和粗骨料颗粒(1相、刚度张量L1、体积比c1)组成的2相复合材料。假设水泥砂浆基体各向同性,体积模量K0、剪切模量G0、泊松比ν0;粗骨料颗粒各向同性,体积模量K1、剪切模量G,骨料颗粒为球形颗粒,且随机分布。基于Mori-Tanaka理论[12]和Eshelby等效夹杂理论[13],可得混凝土材1*收稿日期:2007-
7、12-19;修回日期:2008-03-21基金项目:国家自然科学基金项目(10625208,10572024)作者简介:刘海峰(1975—),男,博士。262爆炸与冲击第29卷料的体积模量K和剪切模量G为Kc1Gc1=1+,=1+(1)K03c0K0K0G06c0(K0+2G0)G0++3K0+4G0K1-K053K0+4G0G1-G0则混凝土材料的有效弹性模量E和泊松比ν可以表示如下E=9KG/(3K+G),ν=(3K-2G)/(6K+2G)(2)3滑移型裂纹模型[14]提出,在此基础上,许多学者[15-19]作了大量的研究工作,通过定性实验
8、和细观滑移型裂纹模型由W.F.Brace等力学分析提出了脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型。单个微裂纹的扩展如图1所示。随着外荷载的增加,
