《強沖擊荷載作用下混凝土材料動態(tài)力學(xué)特性及本構(gòu)模型》成果推介：混凝土是目前工業(yè)與民用建筑中最常用的結(jié)構(gòu)工程材料，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于高層建筑物、長跨橋、大壩、水電站、隧道、碼頭等。這些混凝土結(jié)構(gòu)在其工作過程中除了承受正常的設(shè)計載荷外，往往還要承受諸如地震、爆炸、沖擊和撞擊等動載荷。為了更好地設(shè)計和分析這些混凝土結(jié)構(gòu)，必須對混凝土材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能及其本構(gòu)特性進行研究。目前，人們對混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能已經(jīng)有了比較深刻的認識和研究，對其動態(tài)本構(gòu)特性也做了一定研究工作。但由于缺乏對混凝土材料在沖擊荷載作用下破壞機理的全面認識,因此至今仍未有一種大家普遍接受的本構(gòu)模型.北京理工大學(xué)寧建國教授指導(dǎo)的課題組多年來一直從事混凝土、鋼筋混凝土材料與結(jié)構(gòu)在動態(tài)荷載作用下的動態(tài)力學(xué)性能分析和理論建模方面的研究，取得了很好的研究成果。由寧建國教授擔任第一作者撰寫的《強沖擊荷載作用下混凝土材料動態(tài)力學(xué)特性及本構(gòu)模型》是其中部分研究成果。該文發(fā)表在《中國科學(xué)G輯:物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》（http://earth.scichina.com/cn/dqml.asp）2008年第6期上。他們基于損傷與塑性耦合的理論，提出了一個本構(gòu)模型用于描述混凝土材料在強動荷載作用下的力學(xué)特性，該模型將對混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震或抗沖擊設(shè)計與分析具有重要指導(dǎo)意義。
混凝土材料沖擊特性響應(yīng)是一個非常復(fù)雜的過程，不僅涉及了材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷缺陷（微裂紋和微空洞等）的演化發(fā)展，而且還涉及了材料應(yīng)變率敏感效應(yīng)和靜水壓力相關(guān)性的影響。然而，目前在實驗上分離這些材料特性并直接測試是不可能的。該研究中，宏觀上假設(shè)混凝土材料是一個均勻連續(xù)體；而從細觀角度來看，混凝土材料內(nèi)部存在大量隨機分布的微裂紋損傷和微空洞缺陷。假設(shè)微裂紋是均勻分布，且符合理想微裂紋體系統(tǒng)條件，由此基于統(tǒng)計細觀的理論定義了一無量綱化的損傷變量—裂紋密度來表征微裂紋損傷所引起的混凝土材料宏觀力學(xué)性能的劣化。隨著微空洞的塌陷，混凝土材料被壓縮密實，體積模量也相應(yīng)增大。同時，在混凝土材料內(nèi)部還產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形。通過微空洞體積百分比的定義，就可將損傷和塑性完全耦合?；诹鸭y擴展模型，微裂紋被激活、成核并擴展。當累積裂紋密度達到某一閾值時，混凝土材料發(fā)生粉碎性破壞。利用該模型對平板沖擊下混凝土的沖擊特性進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：模型預(yù)示結(jié)果
無論在變形趨勢上，還是數(shù)值精度上都與實驗結(jié)果符合得很好。
這一研究的創(chuàng)新之處在于同時考慮了混凝土內(nèi)部微裂紋缺陷和微空洞缺陷的成核和擴展，并將兩者耦合起來描述混凝土材料在強沖擊荷載下的動態(tài)力學(xué)性能。該項研究成果填補了我國在沖擊荷載作用下混凝土材料動態(tài)特性和本構(gòu)模型研究方面的空白，為武器裝備的研制提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐，并在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。同時，該研究課題得到了國家杰出青年科學(xué)基金項目的資助。
每年全世界都有許多地震發(fā)生，特別是今年5月發(fā)生在四川的大地震引起全世界的關(guān)注，建筑物的抗震性能設(shè)計顯得尤為重要。希望本研究成果能夠在混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計方面給出一些借鑒和指導(dǎo)意義。
雖然該研究提出的本構(gòu)模型是針對混凝土材料，同樣適用于巖石等準脆性材料在沖擊荷載作用下動態(tài)特性的描述。
混凝土材料沖擊特性響應(yīng)是一個非常復(fù)雜的過程，不僅涉及了材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷缺陷（微裂紋和微空洞等）的演化發(fā)展，而且還涉及了材料應(yīng)變率敏感效應(yīng)和靜水壓力相關(guān)性的影響。然而，目前在實驗上分離這些材料特性并直接測試是不可能的。該研究中，宏觀上假設(shè)混凝土材料是一個均勻連續(xù)體；而從細觀角度來看，混凝土材料內(nèi)部存在大量隨機分布的微裂紋損傷和微空洞缺陷。假設(shè)微裂紋是均勻分布，且符合理想微裂紋體系統(tǒng)條件，由此基于統(tǒng)計細觀的理論定義了一無量綱化的損傷變量—裂紋密度來表征微裂紋損傷所引起的混凝土材料宏觀力學(xué)性能的劣化。隨著微空洞的塌陷，混凝土材料被壓縮密實，體積模量也相應(yīng)增大。同時，在混凝土材料內(nèi)部還產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形。通過微空洞體積百分比的定義，就可將損傷和塑性完全耦合?；诹鸭y擴展模型，微裂紋被激活、成核并擴展。當累積裂紋密度達到某一閾值時，混凝土材料發(fā)生粉碎性破壞。利用該模型對平板沖擊下混凝土的沖擊特性進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：模型預(yù)示結(jié)果
無論在變形趨勢上，還是數(shù)值精度上都與實驗結(jié)果符合得很好。
這一研究的創(chuàng)新之處在于同時考慮了混凝土內(nèi)部微裂紋缺陷和微空洞缺陷的成核和擴展，并將兩者耦合起來描述混凝土材料在強沖擊荷載下的動態(tài)力學(xué)性能。該項研究成果填補了我國在沖擊荷載作用下混凝土材料動態(tài)特性和本構(gòu)模型研究方面的空白，為武器裝備的研制提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐，并在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。同時，該研究課題得到了國家杰出青年科學(xué)基金項目的資助。
每年全世界都有許多地震發(fā)生，特別是今年5月發(fā)生在四川的大地震引起全世界的關(guān)注，建筑物的抗震性能設(shè)計顯得尤為重要。希望本研究成果能夠在混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計方面給出一些借鑒和指導(dǎo)意義。
雖然該研究提出的本構(gòu)模型是針對混凝土材料，同樣適用于巖石等準脆性材料在沖擊荷載作用下動態(tài)特性的描述。
