专家解读
为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 同济大学 吴昊教授，为您解读 UHPC构件侧向低速冲击性能。
基于CSC模型的UHPC构件侧向低速冲击分析
1.
研究背景
超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）在制备过程中采用了低水胶比、大减水剂、剔除粗骨料以及掺入纤维等技术，相对于普通混凝土具有更加优异的抗压/拉强度、断裂韧性和耐久性。超高性能混凝土广泛应用于建筑和桥梁墩柱等重要构筑物（图1），而此类结构存在车/船、落石、飞射物等侧向低速冲击的潜在威胁。因此，UHPC构件在侧向低速冲击作用下的损伤破坏和动态响应具有重要的研究价值和意义。国内外学者针对UHPC构件的抗侧向冲击性能开展了相关试验研究，但由于现有商用软件中的混凝土动态本构模型均基于普通混凝土开发，如K&C模型基于45 MPa普通混凝土开发，CSC混凝土模型适用于抗压强度为20~58 MPa的混凝土。缺乏适用于UHPC的动态损伤本构模型，相应的有限元仿真研究较少。
图1 UHPC的工程应用
2.
研究过程
2018年起，作者团队针对UHPC的基础静动态力学性能开展了系统的单轴拉/压试验、三轴压缩试验、SHPB压缩和层裂试验。进一步基于上述试验数据对K&C模型参数进行了标定，其适用性得到了钢管UHPC梁的落锤冲击试验和钢筋UHPC板的中远区爆炸试验的验证。本文中主要对侧向低速冲击作用下UHPC构件的动态响应进行研究，基于CSC模型探究UHPC构件的侧向低速冲击作用下的损伤破坏模式和响应规律。
2.1 CSC模型参数标定
CSC模型包括强度面参数、帽盖函数参数、损伤参数、应变率效应参数和计算控制参数等，可分别由相应的材性试验数据确定。采用UHPC的各项力学性能试验数据确定CSC模型参数，图2为UHPC材性试验和相应模型参数的对应关系：1）三轴试验数据用于确定模型强度面参数；2）单轴拉/压试验数据用于确定模型损伤参数；3）SHPB压缩和层裂试验数据用于确定模型应变率效应参数。另外，CSC模型帽盖函数参数（状态方程）需采用静水压试验或一维应变试验数据进行确定，而计算控制参数可采用模型默认参数。
图2 材性试验和CSC模型参数的对应关系
本文中所采用的模型参数标定方法主要包括拟合模型公式法（强度面、帽盖函数面和应变率效应）和试算法（损伤参数），试算法采用的是单个单元的有限元模拟（图3）。通过以上模型参数标定过程，提出了2%钢纤维掺量UHPC的CSC模型参数计算方法。上述方法可应用于不同类型混凝土材料，如钢纤维混凝土、超高韧性混凝土、水泥沥青复合材料、再生骨料混凝土等。
图3 单个单元的有限元模型
2.2 落锤冲击试验验证
基于LS-DYNA有限元计算软件和标定后的UHPC模型参数对已有的四组UHPC构件落锤冲击试验进行有限元模拟，通过对比落锤冲击力、构件动态响应和损伤破坏（图4），验证所提出的UHPC材料CSC模型参数的适用性和准确性。
图4 本文的部分落锤试验对比图
进一步跟踪UHPC构件侧向低速冲击试验的研究前沿，分别采用Wang等和Wei等所开展UHPC构件落锤试验进行有限元模拟验证，见 图5和图6 。作者团队于2021年继续开展了不同轴压作用下钢筋UHPC构件的落锤冲击试验，采用标定后的模型参数进行有限元模拟，结果验证如图7所示，落锤冲击试验和有限元模拟的冲击过程如图8所示。
图5 Wang等开展的落锤冲击试验
图6 Wei等开展的落锤冲击试验
图7 作者团队开展的落锤冲击试验
图8 落锤冲击试验过程
2.3 冲击过程分析
通过对冲击过程中刚性落锤与UHPC构件之间的作用过程进行讨论得出，平头刚性落锤冲击构件的过程可分为四个阶段，分别为惯性抵抗阶段、变形响应阶段、构件回弹阶段和脱离阶段。因惯性抵抗阶段落锤动能存在阶跃式下降，所以此阶段对于构件抗冲击性能有利。但球形头刚性落锤冲击构件的惯性抵抗阶段不明显。随着冲击能量的提高，钢管UHPC梁和钢筋UHPC梁的冲击力峰值、跨中最大挠度和残余挠度都有明显的提高；构件吸收能量所占总能量的比值也会提高；且钢材吸能占比亦随冲击能量提升而增大。
图9 落锤冲击过程划分
图10 落锤冲击过程的耗能分析
2.4 等效双自由度理论分析
为分析UHPC构件在侧向低速冲击下的动态响应， 作者团队 建立了等效双自由度（TDOF）理论模型，如图11所示。推导得出TDOF模型中UHPC构件的抗力函数（截面分析）、接触刚度及接触阻尼的计算方法，同时考虑了UHPC受拉软化后的应力、应变率效应和轴压力作用，并得到了试验验证，如图12所示。
图11 TDOF模型
图12 TDOF模型的试验验证
3.
工程应用探究
与普通混凝土相比，UHPC具有高抗拉/压强度、高断裂韧性、高抗渗性、高耐腐蚀性和耐磨性等特点，故其在抗冲击爆炸结构、腐蚀和辐射环境下的结构中具有广泛的应用前景。作者团队针对UHPC在核电设施乏燃料贮罐中的应用开展了有限元分析，图13分别为普通混凝土乏燃料贮罐和UHPC乏燃料贮罐的翻倒事故模拟。经对比，采用UHPC外壳（300 mm厚）替代普通混凝土外壳（650 mm厚），可使乏燃料贮罐质量缩减50 t（约原质量的1/3），同时保证其在翻倒、跌落事故中结构的安全性和完整性。
图13 立式乏燃料贮罐翻倒模拟
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