混凝土是目前工业与民用建筑中最常用的结构工程材料，已经被广泛地应用于高层建筑物、长跨桥、大坝、水电站、隧道、码头等。这些混凝土结构在其工作过程中除了承受正常的设计载荷外，往往还要承受诸如地震、爆炸、冲击和撞击等动载荷。为了更好地设计和分析这些混凝土结构，必须对混凝土材料在冲击载荷作用下的力学性能及其本构特性进行研究。目前，人们对混凝土材料的动态力学性能已经有了比较深刻的认识和研究，对其动态本构特性也做了一定研究工作。但由于缺乏对混凝土材料在冲击荷载作用下破坏机理的全面认识，因此至今仍未有一种大家普遍接受的本构模型。北京理工大学宁建国教授指导的课题组多年来一直从事混凝土、钢筋混凝土材料与结构在动态荷载作用下的动态力学性能分析和理论建模方面的研究，取得了很好的研究成果。由宁建国教授担任第一作者撰写的《强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型》是其中部分研究成果。该文发表在《中国科学G辑：物理学 力学 天文学》（http://earth.scichina.com/cn/dqml.asp）2008年第6期上。他们基于损伤与塑性耦合的理论，提出了一个本构模型用于描述混凝土材料在强动荷载作用下的力学特性，该模型将对混凝土、钢筋混凝土结构的抗震或抗冲击设计与分析具有重要指导意义。

 

混凝土材料冲击特性响应是一个非常复杂的过程，不仅涉及了材料内部微结构损伤缺陷（微裂纹和微空洞等）的演化发展，而且还涉及了材料应变率敏感效应和静水压力相关性的影响。然而，目前在实验上分离这些材料特性并直接测试是不可能的。该研究中，宏观上假设混凝土材料是一个均匀连续体；而从细观角度来看，混凝土材料内部存在大量随机分布的微裂纹损伤和微空洞缺陷。假设微裂纹是均匀分布，且符合理想微裂纹体系统条件，由此基于统计细观的理论定义了一无量纲化的损伤变量—裂纹密度来表征微裂纹损伤所引起的混凝土材料宏观力学性能的劣化。随着微空洞的塌陷，混凝土材料被压缩密实，体积模量也相应增大。同时，在混凝土材料内部还产生了不可恢复的塑性变形。通过微空洞体积百分比的定义，就可将损伤和塑性完全耦合。基于裂纹扩展模型，微裂纹被激活、成核并扩展。当累积裂纹密度达到某一阈值时，混凝土材料发生粉碎性破坏。利用该模型对平板冲击下混凝土的冲击特性进行数值模拟，结果表明：模型预示结果无论在变形趋势上，还是数值精度上都与实验结果符合得很好。

 

这一研究的创新之处在于同时考虑了混凝土内部微裂纹缺陷和微空洞缺陷的成核和扩展，并将两者耦合起来描述混凝土材料在强冲击荷载下的动态力学性能。该项研究成果填补了我国在冲击荷载作用下混凝土材料动态特性和本构模型研究方面的空白，为武器装备的研制提供了关键的技术支撑，并在工程实际中得到了广泛的应用。同时，该研究课题得到了国家杰出青年科学基金项目的资助。

 

每年全世界都有许多地震发生，特别是今年5月发生在四川的大地震引起全世界的关注，建筑物的抗震性能设计显得尤为重要。希望本研究成果能够在混凝土结构的抗震性能设计方面给出一些借鉴和指导意义。

 

虽然该研究提出的本构模型是针对混凝土材料，同样适用于岩石等准脆性材料在冲击荷载作用下动态特性的描述。（来源：人民网科技）