一種新形式的鋼纖維混凝土沖擊動態(tài)本構(gòu)關(guān)系及材料參數(shù)的確定

葉中豹，李永池，趙 凱，黃瑞源，孫曉旺，張永亮

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230026；2.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088；3.南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

在混凝土中添加鋼纖維能夠抑制裂紋的產(chǎn)生及擴展，因此鋼纖維混凝土材料具有耐疲勞、韌性好、抗拉強度高等力學(xué)性能，目前鋼纖維混凝土已廣泛應(yīng)用于民用及軍事上，其動態(tài)力學(xué)性能的研究更是受到關(guān)注。

曹吉星[1]對鋼纖維混凝土進行沖擊壓縮和準(zhǔn)靜態(tài)實驗研究，提出了一種適用于鋼纖維混凝土改進的HJC動態(tài)本構(gòu)模型；嚴(yán)少華等[2]用?74 mm的Hopkinson壓桿裝置對鋼纖維混凝土進行了動態(tài)壓縮性能實驗研究，得到鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度與應(yīng)變率之間的對數(shù)關(guān)系；金鳳杰等[3]對高溫條件下鋼纖維混凝土動態(tài)壓縮進行試驗研究，得出高溫下鋼纖維混凝土動態(tài)抗壓強度同時存在加載速率強化效應(yīng)和溫度強弱化效應(yīng)；嚴(yán)少華等[4]用Hopkinson壓桿對高強鋼纖維混凝土進行沖擊壓縮，得到應(yīng)變率為100 s-1下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及方程，給出抗壓強度與應(yīng)變率的關(guān)系；趙碧華等[5]利用變截面SHPB裝置對超短鋼纖維混凝土進行沖擊壓縮試驗，得出幾組不同鋼纖維含量、不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；杜修力等[6]對高強度混凝土進行實驗研究得到，在高應(yīng)變率下，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有較明顯的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。

本文中采用?75 mm大口徑SHPB系統(tǒng)對體積率分別為0%、0.75%和1.5%三種鋼纖維混凝土進行動態(tài)壓縮實驗，繪制不同應(yīng)變率下的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析鋼纖維體積率和應(yīng)變率對混凝土抗壓強度的影響，并提出一種新型動態(tài)鋼纖維混凝土材料本構(gòu)關(guān)系方程。

1 實驗試件制備及實驗設(shè)備

原材料： 0213型微纖維；普通硅酸鹽水泥；洗凈連續(xù)粒徑碎石粗骨料；洗凈河沙細(xì)骨料； SM高效減水劑；自來水。3種不同鋼纖維體積率混凝土配合比見表1，其中φ為鋼纖維體積分?jǐn)?shù)。試件尺寸，實驗采用?75 mm的SHPB實驗系統(tǒng)完成。

表1 鋼纖維混凝土原料配比Table 1 Mix proportion of the steel fiber concrete

2 不同鋼纖維含量、不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

采用三波校核法[7]處理SHPB實驗數(shù)據(jù)，作出相應(yīng)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線并自動計算峰值附近的平均應(yīng)變率，不同鋼纖維含量、不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1?？梢钥闯觯S著纖維含量及應(yīng)變率的增加，鋼纖維混凝土材料的峰值應(yīng)變，峰值應(yīng)力都隨之提高，并在峰值應(yīng)力之后出現(xiàn)應(yīng)力的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

3 本構(gòu)關(guān)系的建立及參數(shù)的確定

(1)

f(ε)=a1ε+a2ε2+a3ε3+a4ε4

(2)

(3)

表2 式(2)擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters in Eq.(2)

表3 擬合結(jié)果Table 3 Fitting results

(4)

表4 式(4)擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters in Eq. (4)

由以上可得鋼纖維混凝土動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的一般形式：

(5)

4 結(jié) 論

(1)對不同鋼纖維含量的混凝土材料開展了動態(tài)性能實驗研究，得出了不同鋼纖維含量、不同應(yīng)變率下的鋼纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。實驗結(jié)果表明：隨著纖維含量及應(yīng)變率的提高，鋼纖維混凝土材料的峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)力都隨之提高，并在峰值應(yīng)力之后出現(xiàn)應(yīng)力的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。(2)從實驗曲線出發(fā)，將應(yīng)變和應(yīng)變率作為2個獨立的因子，提出了一種物理概念較為清晰，擬合過程相對簡潔的適用于鋼纖維混凝土的新型非線性粘塑性動態(tài)本構(gòu)關(guān)系，并通過對實驗曲線的擬合，給出了相應(yīng)的材料參數(shù)。(3)本文中所提出的本構(gòu)關(guān)系及材料參數(shù)只適用于材料的中、高應(yīng)變率范圍，而不適用于低應(yīng)變率的準(zhǔn)靜態(tài)情況。鑒于本次實驗對不同鋼纖維含量完成較少，它們對材料本構(gòu)行為的影響尚隱含于應(yīng)變率因子 的系數(shù)里，進一步揭示纖維含量對材料性能的影響是本文后續(xù)研究的重點。

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