一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

叶中豹，李永池，赵 凯，黄瑞源，孙晓旺，张永亮

(1.中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥 230026；2.安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088；3.南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)

在混凝土中添加钢纤维能够抑制裂纹的产生及扩展，因此钢纤维混凝土材料具有耐疲劳、韧性好、抗拉强度高等力学性能，目前钢纤维混凝土已广泛应用于民用及军事上，其动态力学性能的研究更是受到关注。

曹吉星[1]对钢纤维混凝土进行冲击压缩和准静态实验研究，提出了一种适用于钢纤维混凝土改进的HJC动态本构模型；严少华等[2]用∅74 mm的Hopkinson压杆装置对钢纤维混凝土进行了动态压缩性能实验研究，得到钢纤维混凝土的动态抗压强度与应变率之间的对数关系；金凤杰等[3]对高温条件下钢纤维混凝土动态压缩进行试验研究，得出高温下钢纤维混凝土动态抗压强度同时存在加载速率强化效应和温度强弱化效应；严少华等[4]用Hopkinson压杆对高强钢纤维混凝土进行冲击压缩，得到应变率为100 s-1下的应力-应变曲线及方程，给出抗压强度与应变率的关系；赵碧华等[5]利用变截面SHPB装置对超短钢纤维混凝土进行冲击压缩试验，得出几组不同钢纤维含量、不同应变率下的应力-应变曲线；杜修力等[6]对高强度混凝土进行实验研究得到，在高应变率下，动态应力-应变关系有较明显的应变率硬化效应。

本文中采用∅75 mm大口径SHPB系统对体积率分别为0%、0.75%和1.5%三种钢纤维混凝土进行动态压缩实验，绘制不同应变率下的材料应力-应变曲线，分析钢纤维体积率和应变率对混凝土抗压强度的影响，并提出一种新型动态钢纤维混凝土材料本构关系方程。

1 实验试件制备及实验设备

原材料： 0213型微纤维；普通硅酸盐水泥；洗净连续粒径碎石粗骨料；洗净河沙细骨料； SM高效减水剂；自来水。3种不同钢纤维体积率混凝土配合比见表1，其中φ为钢纤维体积分数。试件尺寸，实验采用∅75 mm的SHPB实验系统完成。

表1 钢纤维混凝土原料配比Table 1 Mix proportion of the steel fiber concrete

2 不同钢纤维含量、不同应变率下的应力-应变曲线

采用三波校核法[7]处理SHPB实验数据，作出相应工程应力-应变曲线并自动计算峰值附近的平均应变率，不同钢纤维含量、不同应变率下的应力-应变曲线见图1。可以看出，随着纤维含量及应变率的增加，钢纤维混凝土材料的峰值应变，峰值应力都随之提高，并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。

3 本构关系的建立及参数的确定

(1)

f(ε)=a1ε+a2ε2+a3ε3+a4ε4

(2)

(3)

表2 式(2)拟合参数Table 2 Fitting parameters in Eq.(2)

表3 拟合结果Table 3 Fitting results

(4)

表4 式(4)拟合参数Table 4 Fitting parameters in Eq. (4)

由以上可得钢纤维混凝土动态本构关系的一般形式：

(5)

4 结 论

(1)对不同钢纤维含量的混凝土材料开展了动态性能实验研究，得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的钢纤维混凝土的应力-应变曲线。实验结果表明：随着纤维含量及应变率的提高，钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高，并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。(2)从实验曲线出发，将应变和应变率作为2个独立的因子，提出了一种物理概念较为清晰，拟合过程相对简洁的适用于钢纤维混凝土的新型非线性粘塑性动态本构关系，并通过对实验曲线的拟合，给出了相应的材料参数。(3)本文中所提出的本构关系及材料参数只适用于材料的中、高应变率范围，而不适用于低应变率的准静态情况。鉴于本次实验对不同钢纤维含量完成较少，它们对材料本构行为的影响尚隐含于应变率因子 的系数里，进一步揭示纤维含量对材料性能的影响是本文后续研究的重点。

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