Page 111 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 张 臣，等： 高温与冲击耦合作用下超高性能混凝土的动态力学特性与本构方程 第 2 期

and steel fiber oxidation cause the material to exhibit overall brittle failure characteristics; however, its local core region
remains integrity and retains notable residual load-bearing capacity. The modified HJC yield surface is suitable for describing
the dynamic mechanical behavior of this material under coupled high-temperature and impact conditions. These findings
provide theoretical foundations and data support for the safety design and evaluation of military and civil protective
engineering.
Keywords: ultra-high performance concrete; high-temperature split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment; temperature
effect; strain rate effect; dynamic mechanical properties

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）凭借其高强度、高韧性、优异抗渗性以及高
[1]
耐久性等显著特点，已被广泛应用于高温炉窑、高温工业厂房、核反应堆安全壳等军事和民用防护设施 。
在实际服役环境中，如核工程、安全壳等关键 UHPC 防护结构不仅承受静载荷，还常面临高温与冲击载
荷的耦合作用。一旦遭遇火灾、爆炸、武器打击等极端事件（如 2015 年天津港特大火灾爆炸事故等），此
[2]
类结构因材料力学性能在高温与冲击耦合作用下发生劣化 ，极易引发重大安全事故。因此，深入研究
UHPC 在高温与冲击同步作用下的力学响应，具有重要的科学意义和工程价值。
目前，关于 UHPC 在高温环境下的准静态力学性能研究已取得了一定进展。杨婷等 [3] 通过开展高
温后 UHPC 准静态力学实验发现，其残余抗压强度随温度的升高呈先升后降的变化趋势。Xiong 等 [4] 测
试了不同温度下 UHPC 的抗压强度，发现温度升至 400 ℃ 时强度显著降低，温度超过 500 ℃ 时力学性能
衰减约 40%，600 ℃ 时试样表面出现明显剥落。毛振豪等 [5] 分析了温度对 UHPC 强度的影响，指出强度
损失率随温度的升高呈先降后升的变化特征。上述研究均聚焦于温度作为单一变量对 UHPC 准静态力
学行为的影响。
鉴于混凝土材料固有的应变率敏感性，爆炸冲击载荷会显著提升其应变率水平，而高温作用则通常
引发温度软化效应 [6-7] ，部分学者开始关注应变率效应与温度效应耦合作用下混凝土材料的动态力学性
能。Zhang 等 [8] 利用 SHPB 装置研究了高温作用后 UHPC 的动态力学性能，发现其动态抗压强度表现出
显著的应变率强化效应，但高温导致钢纤维桥联作用失效，致使其强度降低。王立闻等 [9] 同样采用
SHPB 技术研究高温处理后的 UHPC，观察到其动态抗压强度、初始弹性模量及能量吸收率均随温度升
高而降低。上述研究结果一致表明，高温显著劣化 UHPC 的动态力学性能，但 UHPC 经高温作用后仍保
留显著的应变率效应。
在实际工程场景（如火灾引燃易爆物）中，混凝土结构往往同时承受高温与高应变率冲击载荷的实
时耦合作用。然而，现有研究主要集中于混凝土材料经历高温并冷却至室温后的力学性能测试 [8-9] ，针对
UHPC 在高温与高应变率冲击载荷同步作用下的动态力学性能研究相对匮乏。为探究此问题，Gao 等 [10]
和 Su 等 [11] 尝试在力学实验设备上集成高温加热装置，待 UHPC 试样达到目标温度并保温后直接进行加
载，研究发现高温对试样的力学性能、表观形貌及质量损失均有显著影响。Chen 等 [12] 和 Yu 等 [13] 则开
发了特制的微波加热和自动时序控制的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）系统，
研究了高温与高应变率耦合作用下普通混凝土的力学性能，并建立了考虑该耦合效应的本构模型。这
些研究均采用创新实验技术，为探索材料在高温环境下的力学性能提供了重要途径。
然而，开展更高温度的冲击实验不仅受限于实验技术，还要耗费更多的时间成本，且实验结果的重
复性一般。数值技术可以不受限于实验技术，数值模拟结果的准确性主要取决于材料本构模型能否表
征其力学行为。为此，学者们对混凝土材料在温度和应变率共同作用下的本构关系展开了研究。Kou 等 [14]
基于 Drucker-Prager 屈服准则建立了考虑应变率强化效应的屈服方程，通过建立损伤准则来表征不同温
度和应变率引起的损伤，以同时表征火灾和爆炸作用下混凝土的力学性能。王景海等 [15] 采用分段函数的
形式构建了超高性能混凝土在高温高应变率下的动态本构模型，但模拟效果差距较大。Liang 等 [16] 基于
Weibull 分布建立了损伤变量，并基于元件组合模型建立了统计损伤与黏弹性模型相结合的动态损伤本
[8]
构模型，更好地描述了 UHPC 在高温高应变率下的动力学行为。Zhang 等 通过修正 Zhu-Wang-Tang (Z-W-

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