高温高应变率耦合作用下混凝土本构关系的实验研究

爆炸和火灾会对钢筋混凝土结构产生严重破坏，且两者通常相伴发生，它们对钢筋混凝土结构产生的破坏更为剧烈。但是，混凝土在高温高应变率耦合作用下的本构关系研究却十分鲜见。本项目拟利用本实验室所特有的、配备有在线加温装置和快速对杆装置的大直径的霍普金森压杆系统对混凝土进行高温高应变率实验，并结合物理机制方面的理论分析建立混凝土在高温高应变率耦合作用下单向压缩的粘弹性损伤型本构关系，利用所得模型和数据，建立爆炸和火荷载耦合作用下钢筋混凝土结构损伤破坏的数值分析方法。项目的预期成果有望填补国内在该领域的研究空白，为研究爆炸和火灾对工程结构的耦合破坏作用提供良好的基础。

火灾高温引起混凝土材料性能严重劣化，如果钢筋混凝土结构又受到爆炸作用，高温和爆炸效应产生耦合，结构发生损伤、破坏甚至倒塌的可能性将大大增加。由于各种突发性爆炸事故大多发生在人口稠密、可燃物集中的城市环境内，所以爆炸和火灾的联合作用常常会造成十分严重的后果。如何对其提出有效防护手段，已经成为摆在各国科技人员面前的一项重要而现实的课题。而由于缺乏能够准确描述混凝土高温高应变率材料性质的本构模型，相关的研究仍然有十分严峻的挑战。 .本项目执行期间，课题组自主研制成功高温混凝土SHPB自动对杆冲击加载实验装置HTA-SHPB，具有试件加热均匀、实验准确、稳定性好的优点。基于该装置，课题组进行了多批次混凝土在20℃到950℃间不同应变率的实验，深入研究了高温对混凝土动态性能的研究，充实了混凝土高温动态实验数据，为建立高温高应变率耦合作用下混凝土本构关系做好了准备。基于ABAQUS中的Drucker-Prager模型，对其强度、峰值应变、屈服准则、塑性流动以及应变率效应等方面进行改进，加入温度的影响，建立了能描述混凝土高温动态性能的Drucker-Prager模型。K&C模型作为LS-DYNA中最常用的混凝土模型之一，在混凝土材料结构抗爆抗冲击等数值模拟中有非常好的应用。针对其不包含温度影响的缺点，课题组从K&C模型的理论基础入手，细致分析温度对各个参数的影响，开发相应的材料模型程序，并针对K&C等效应变率的误差进行修正，建立起能很好描述混凝土高温高应变率的本构模型。本项目的研究充实了高温高应变率实验数据，建立了ABAQUS和LS-DYNA中的高温高应变率混凝土本构模型，为研究混凝土材料和结构爆炸和火灾作用下的响应打下坚实的基础和依据。