HRB钢筋在多次冲击载荷下的动态本构行为

《Structures》：Dynamic constitutive behaviors of HRB reinforcing steel considering multiple impact loadings

　　

摘要

在承受冲击和爆炸等严重动力荷载的钢筋混凝土结构中，钢筋在高应变率下会发生显著的塑性变形。尽管钢筋的动力拉伸性能已引起广泛的研究关注，但多次冲击作用下的本构行为尚未得到充分考虑，这对评估结构的抗冲击和抗断裂性能具有重要意义。本研究利用分离式霍普金森拉杆（SHTB）对HRB400钢筋的光圆和带缺口圆棒试件在不同高应变率下进行了单次和多次动力拉伸试验。试验结果表明，HRB400钢筋的屈服强度随应变率增大而提高，且这种应变率强化效应随累积塑性应变的累积而逐渐衰减。为有效评估HRB400钢筋在多次冲击下的力学行为，建立了考虑初始强化和后续衰减的动力弹塑性本构模型，并标定了韧性断裂模型。与试验结果相比，所建立的动力本构模型能够准确再现试件在不同应变率和加载次数下的入射波、反射波和透射波时程曲线，最大平均绝对相对误差为10.07%，其余工况的误差均低于7%。标定的损伤断裂模型能够准确预测断裂起始位置和断裂时的塑性变形。本研究有助于评估钢筋混凝土结构在多次冲击下的残余承载能力和断裂性能。

引言

爆炸和火炮冲击等频繁灾害使得工程结构的抗爆防护研究需求日益迫切。钢筋混凝土结构是工程中最常用的结构形式，爆炸冲击荷载对其安全性提出了新的挑战。作为钢筋混凝土结构中的关键承重构件，钢筋在动力荷载下的力学性能直接影响结构的动力承载能力[1]。当承受冲击和爆炸等动力荷载时，钢筋表现出显著的应变率效应，其力学性能与准静态条件下存在显著差异[2]，[3]，[4]。因此，研究连续多次应变率变化对钢筋动力行为的影响，并建立其精确的塑性损伤材料模型，对于评估钢筋混凝土结构的抗爆性能至关重要。

钢筋的应变率相关性一直是众多研究的焦点。目前的研究主要集中于钢筋在单次爆炸动力冲击下的力学响应。Lin等人[2]对HPB235、HRB335、HRB400和HRB500级钢筋的应变率相关行为进行了试验研究，发现试验中极限强度的动力增大系数小于屈服强度的动力增大系数。Huang和Tao[5]利用旋转圆盘冲击拉伸试验系统研究了HPB235、HRB335和HRB400在400 s?1至2000 s?1高应变率范围内的动力拉伸力学性能。Zeng等人[6]对HRB500钢筋在低、中、高应变率下进行了动力拉伸试验，得出屈服强度的动力增大系数与应变率呈非线性相关。Sun等人[7]探索了HPB300、HRB400、HRB400E和HRB500E钢筋在超高应变率下的动力行为，表明存在显著的应变率效应，但在超高应变率水平下，不同应变率之间的效应差异不显著。Cadoni等人[8]，[9]研究了B500A高强钢筋的高应变率拉伸行为，发现应变率增大对材料的屈服强度和抗拉强度有显著影响。Kumar和Iqbal[10]利用分离式霍普金森杆装置研究了550D钢筋在动力拉伸和压缩下的材料性能，结果表明材料的动力强度增大，且动力压缩下的应变率相关性更强。文献[11]，[12]还研究了更高屈服强度钢筋的动力拉伸力学性能，结果表明这类钢筋表现出更高的屈服强度，但延性可能较静力拉伸时更差。这些研究阐明了不同等级钢筋均表现出显著的应变率效应，凸显了开发计算模型以评估钢筋应变率效应的必要性。

建立考虑应变率效应的精确钢筋本构模型对于结构损伤模拟和分析至关重要，尤其是在评估结构抗爆性能和设计防护结构方面。以往关于钢筋应变率相关行为的研究主要集中于屈服应力和极限抗拉强度的动力增大系数（DIF）[2]，[13]，[14]。近年来，能够直接描述加工硬化材料真实应力-应变关系的率相关模型得到探索并日益受到青睐[15]。由于其表达式简单，Johnson-Cook（J-C）模型[16]及其改进变体被广泛用于描述结构钢[17]，[18]，[19]，[20]，[21]和钢筋[7]，[22]，[23]在不同应变率下的真实应力-应变行为。这些改进提高了J-C模型的精度，但修正J-C模型中的应变率相关动力硬化项通常在整个过程中被视为常数，未能考虑应力硬化随等效塑性应变累积而弱化，导致在显著累积塑性应变后的模拟在力学上不保守[7]，[24]。此外，上述模型均基于单次爆炸荷载或小应变范围的多次冲击荷载[25]。尽管钢筋的单次爆炸行为已引起广泛关注，但关于钢筋在多次爆炸下的响应和建模的研究有限[26]，[27]，[28]。这一不足可能使工程师难以评估遭受多次爆炸的钢筋混凝土结构的残余承载能力。

研究钢筋在重复冲击荷载下的塑性变形和动力损伤演化行为，建立其高应变率下的全过程动力本构模型和损伤累积规律，可为研究钢筋混凝土结构在多次爆炸后的残余承载能力提供必要的材料模型和数据支持。为此，本研究对HRB400钢筋进行了准静态拉伸试验，并利用分离式霍普金森拉杆（SHTB）装置进行了单次和多次高应变率拉伸试验。建立了HRB400钢筋的动力本构模型，该模型基于钢筋强化和颈缩过程涵盖整个弹塑性行为，并包含随塑性应变增大的早期强化和后期衰减的应变率系数。结合有限元模拟，该动力本构模型实现了HRB400钢筋在单次和多次动力拉伸加载条件下力学响应和断裂的模拟。

章节片段

静态拉伸试验

本研究使用的材料为中国常用的HRB400钢筋。由于材料的静态拉伸性能是研究动力力学响应和建模的基础，设计了四个直径12 mm的HRB400钢筋静态拉伸试件，如图1所示。拉伸试验在MTS材料试验机上进行。试件S1为光圆棒，用于获取材料参数和之前段的应力-应变关系

静态拉伸试验结果与建模分析

静态拉伸试验的加载装置和破坏模式如图7(a)所示。图7(b)给出了试件S1三次重复试验的名义应力（σ_N）-名义应变（σ_N）曲线。各试件的曲线紧密吻合，表明钢筋的材料参数相对稳定。由试件S1的拉伸应力-应变曲线得到的基本材料参数列于表2。弹性模量（E）、屈服强度（

结论

本研究对HRB400钢筋在静态和多次动力加载条件下的材料力学行为进行了试验和建模研究。研究重点在于应变率和加载次数对HRB400钢筋弹塑性本构行为和损伤演化规律的影响。基于试验观察和理论分析，建立了一个新的动力本构模型。主要结论总结如下

CRediT作者贡献声明

Mingming Yu：写作–初稿，软件，方法论。Zhiyang Xie：写作–审阅与编辑，软件，调查。Wei Wang：写作–审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。Chuntao Zhang：调查，经费获取。Min Sun：监督，经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢四川省工程材料与结构冲击振动重点实验室、中国博士后科学基金（资助号：2025M783304）、中国博士后科学基金会博士后项目（资助号GZC20261777）、国家自然科学基金（NSFC）（资助号：52308192）以及加拿大自然科学与工程研究理事会的资助。

Mingming Yu|Zhiyang Xie|Wei Wang|Chuntao Zhang|Min Sun