高温和冲击载荷耦合作用下的钢纤维混凝土材料本构关系和抗爆炸机理研究

A large number of engineering practice and the previous research work of the project team shows that the damage of steel fiber reinforced concrete structure is significantly increased under the combined effect of high temperature and impact load than only in high temperature or only under impact load. The reason is the coupling effect of thermal and the strain rate. This project intends to carry out high-temperature MTS test, high-temperature SHPB test and high-temperature triaxial confining pressure test; On the basis of experimental data, according to the constitutive theory of composite material and macro-mesoscopic damage mechanics, to establish the thermal-mechanical coupled dynamic damage constitutive relation and failure criterion of steel fiber reinforced concrete; With the improvement and development of fluid-solid coupling finite element calculation software, carrying out the numerical calculation of the propagation and evolution law of explosion shock wave in typical steel fiber reinforced concrete structure under high temperature, to analyze the coupling mechanism between high temperature and impact load and its effect on reflection, transmission and diffraction of shock wave in steel fiber concrete materials; Moreover, to obtain the quantitative relationship between the thermal softening effect, strain rate hardening effect, material strength and damage rate; To reveal the anti-explosion mechanism and laws as well as the influencing factors of steel fiber reinforced concrete materials under the high temperature, providing a scientific basis for the parameters optimization design of the defense structural and the development new invasion explosive bomb.

大量工程实践和本项目组的前期研究工作均表明，钢纤维混凝土结构在高温和冲击载荷联合作用下发生的毁伤等级比其仅在高温或仅在冲击载荷下要显著加剧，这是材料热效应和应变率效应耦合作用的结果。本项目组拟开展钢纤维混凝土高温MTS实验、高温SHPB实验和三轴高温围压实验；以实验数据为基础，以复合材料本构理论和宏细观损伤力学为指导，建立钢纤维混凝土材料热力耦合含损伤动态本构关系和破坏准则；改进和发展流固耦合有限元计算软件，并开展冲击波在高温钢纤维混凝土典型结构中的传播和演化规律的数值计算，分析高温和冲击载荷之间的耦合机制及其对冲击波在钢纤维混凝土材料中的反射、透射和衍射的影响规律和影响机理，得到热软化效应和应变率硬化效应与材料强度和损伤速率之间的量化关系，揭示钢纤维混凝土材料在高温和冲击载荷耦合作用下的抗爆炸机理和规律以及影响因素，为钢纤维混凝土防御结构的参数优化设计和新型侵爆弹的研制提供科学依据。

钢纤维混凝土结构具有较高抗冲击、抗高温、抗爆炸的优势，在国防建设和民用工程中有着广泛的应用。现代局部战争中高新科技常规武器的研发和恐怖主义事件中大规模杀伤性破坏武器的使用，对于各国防御工事的防护能力都是很大的挑战。战后现场表明，火灾、爆炸等引起的高温和强冲击脉冲是导致大型钢纤维混凝土防护结构损伤破坏的主要原因，且高温和冲击载荷往往相伴发生，在二者的耦合作用下 SFRC材料破坏程度和损伤速率会大大加剧。为了得到钢纤维混凝土材料在高温和冲击载荷联合作用下材料强度的温度弱化效应和应变率强化效应的影响以及它们之间的作用机理，建立能够反映钢纤维混凝土在高温和爆炸冲击载荷下热力学响应的本构模型，本项目组开展了系统的钢纤维混凝土在不同温度、不同应变率/应力率、不同钢纤维含量、不同材料含水率下的材料力学性能测试：完成了SFRC材料高温MTS单轴压缩准静态实验和高温SHPB动态压缩实验，得到材料在不同温度和不同应变率条件下的应力应变曲线；得到了SFRC材料在率温联合作用下的强度变化规律，确定了SFRC材料强度的率温耦合机制，给出了率温效应因子的科学表述，建立了率温耦合关系方程；以热力学、波动力学和损伤力学为指导，建立了考虑多重因素以及多重因素之间耦合效应的SFRC材料的热力耦合损伤本构模型；确定了试件含水率/吸水率对SFRC材料高温动静态强度有不可忽略的影响，并开展了不同含水量SFRC材料在高温动静态下的实验研究，确定了SFRC材料的率-温-湿耦合特性；利用所建立的适用于高温和冲击载荷联合作用下的多因素耦合含损伤本构模型，对混凝土柱进行了内爆炸实验模拟计算，得到了常温和高温下的爆炸所产生的的损伤云图，计算结果与混凝土防护结构在爆炸和火灾双重打击下的战后现场的毁伤特点一致，验证了项目所建立的多因素耦合本构模型的合理性和科学性，同时也为混凝土防护结构的设计优化提供了科学依据。