混凝土損傷模型綜述_本構(gòu)模型

1、混凝土損傷模型綜述_本構(gòu)模型論文導(dǎo)讀:：本文系統(tǒng)地綜述了混凝土損傷研究的概況, 分析了各個有代表意義的混凝土損傷本構(gòu)模型基礎(chǔ)之上,對比研究了各個模型的特點及各自適用范圍，并對有待進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了討論。論文關(guān)鍵詞：混凝土，本構(gòu)模型，損傷1 前言混凝土作為重要的建筑材料已有百余年的歷史，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域本構(gòu)模型，當(dāng)然，在土木工程和采礦工程中也是必不可少的，在結(jié)構(gòu)工程等混凝土更為廣泛應(yīng)用的研究領(lǐng)域，人們已經(jīng)對混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了廣泛的研究本構(gòu)模型，但是對混凝土損傷與斷裂過程中的裂紋擴(kuò)展以及損傷與斷裂機(jī)制等基本問題，還需要進(jìn)一步的研究。隨著結(jié)構(gòu)形式由單純的一般房屋建筑結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到重力式海洋

2、平臺、高拱壩、核電站混凝土保護(hù)層和大跨度混凝土橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境和荷載作用也變得更加復(fù)雜,導(dǎo)致許多新的工程和力學(xué)現(xiàn)象不斷地出現(xiàn),使得對混凝土破壞理論的研究必須向更深的層次發(fā)展,以適應(yīng)工程實際的需要。在混凝土的損傷研究中,大量學(xué)者針對具體工程情況提出了各種不同的損傷本構(gòu)模型,但是由于適用條件的特殊性及所建立模型的復(fù)雜化,很少有一種能夠有明確的物理意義、表達(dá)簡單、便于工程師接受的一般損傷本構(gòu)關(guān)系式。從物理意義來看損傷力學(xué)是比較適合用來描述混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系的。本文基于對損傷本構(gòu)模型的思考,結(jié)合有待進(jìn)一步研究的問題,對一些有代表性的損傷模型進(jìn)行了綜述。2 混凝土損傷本構(gòu)模型2.1 混凝

3、土各向同性彈性損傷模型2.1.1 Loland 損傷模型該模型為單軸拉伸模型. 假設(shè)材料為彈性各向同性,損傷也是各向同性的,該模型的定義簡單,適用于混凝土受拉情況,所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和所采用的試驗結(jié)果較符合論文服務(wù)。但是有效應(yīng)力在第二階段假定為一常數(shù),得到的應(yīng)力- 應(yīng)變是線性關(guān)系,這是值得商榷的。2.1.2 Mazars 損傷模型該模型的特點:假定峰值應(yīng)力前應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系為直線,因此無初始損傷或損傷不發(fā)展,在單軸受拉、受壓情況下與試驗吻合較好,但是在多軸應(yīng)力條件下誤差較大。2.1.3Kachanov 損傷模型借助于Kachanov 的“連續(xù)度”的概念,連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)將材料的損傷描述為有

4、效受力面積的減少,根據(jù)這一推理,于海祥等1 在描述構(gòu)件損傷程度時,將損傷變量定義為: (4)，該模型較為簡單,物理意義明確。以上幾種模型建立的思路基本類似,假定無初始損傷或初始損傷不發(fā)展,根據(jù)試驗應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù)分階段建立損傷模型,不同點在于損傷演化方程不一樣。Loland 所參照的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線不呈現(xiàn)尖銳的峰值,建立的損傷模型與其它模型有所不同。2.2 混凝土各向異性彈性損傷模型2.2.1 Sidoroff 損傷模型Sidoroff 能量等價原理指出:如果用有效應(yīng)力張量代替柯西應(yīng)力張量,受損材料的彈性余能與無損材料的彈性余能在形式上相同。該模型有其可信的理論基礎(chǔ). 但應(yīng)力峰值前的零損傷

5、假設(shè)與實際情況不符. 由于在該模型中損傷閾值在Y空間是常量,故又稱為理想損傷模型,類似于理想塑性的概念.。2.2.2 Krajcinovic 損傷模型此模型假設(shè)材料內(nèi)部損傷是由平面幣狀缺陷所引起,損傷變量為矢量,該模型在材料微觀機(jī)理與宏觀性質(zhì)的銜接上作出了有意義的嘗試，根據(jù)平面幣狀損傷假設(shè), Helmholtz 定義了由裂紋密度表示的自由能表達(dá)式,根據(jù)正交法則得到三維損傷應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,損傷剛度張量由裂紋密度表達(dá)。從研究表明本構(gòu)模型，混凝土在受到外界作用之前由于內(nèi)部微缺陷導(dǎo)致的初始損傷是各向同性的. 而且,從宏觀平均的角度看混凝土的力學(xué)性質(zhì)也是各向同性的. 但是,隨著受到環(huán)境和外載的作用后,變形

6、的累積和局部的應(yīng)力集中引起損傷的演化,這種損傷是各向異性的,損傷的主方向與應(yīng)力的主方向相同,第一主損傷方向即為第一主應(yīng)力方向. 并且,損傷導(dǎo)致了材料的各向異性. 已有的各向同性損傷模型在復(fù)雜應(yīng)力情況下均存在較大誤差也在一定程度上說明了問題. 因此,應(yīng)該把發(fā)展既具有較強(qiáng)的預(yù)測能力,并且又適于應(yīng)用的各向異性模型作為重點研究方向之一. 從目前看,基于能量分析建立的模型具有較大的潛力,但距離真正解決問題還有相當(dāng)?shù)牟罹唷?.3 混凝土彈塑性損傷模型混凝土循環(huán)加卸載試驗表明2 ,試件受載過程中剛度不斷降低,并伴有殘余應(yīng)變產(chǎn)生。顯然彈性損傷本構(gòu)模型不能反映出不可逆變形的發(fā)展過程,致使所建模型與實際有較大誤差

7、,因此有學(xué)者提出了考慮不可逆變形的彈塑性損傷模型,并根據(jù)塑性增量理論建立了彈塑性受損材料的本構(gòu)關(guān)系及加載準(zhǔn)則3。2.4 混凝土塑性損傷模型理論采用損傷力學(xué)處理塑性變形有兩種方法：（1）假設(shè)損傷僅對材料的彈性特性有影響，在Cauchy應(yīng)力空間利用經(jīng)典的塑性力學(xué)?；炷吝M(jìn)入軟化段后，這種方法涉及屈服面收縮，因此會出現(xiàn)一定的數(shù)值收斂和穩(wěn)定性問題。（2）在有效應(yīng)力空間內(nèi)利用塑性力學(xué)基本公式。由于有效應(yīng)力空間內(nèi)屈服面一直處于膨脹狀態(tài)而不存在收縮，因此采用這種方法可以避免軟化段的復(fù)雜處理問題論文服務(wù)。2.5混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系在外荷載或環(huán)境作用下、由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的缺陷(如微空洞、微裂紋等) 所引起的材料或

8、結(jié)構(gòu)的劣化過程稱為損傷.。混凝土材料的顯著特點是非均質(zhì)性和多相多孔性,反映在力學(xué)性能的明顯特征是宏觀力學(xué)指標(biāo)的離散性. 混凝土材料受力全過程試驗結(jié)果表明2 ：混凝土材料破壞過程與其內(nèi)部損傷的發(fā)展密切相關(guān).?；炷翍?yīng)力- 應(yīng)變?nèi)^程曲線具有明顯的非線性和離散性特點。3 結(jié)束語損傷力學(xué)理論的問世,為混凝土本構(gòu)理論的研究提供了新的理論框架,各國學(xué)者經(jīng)過三十多年的研究工作,在該領(lǐng)域取得了大量的成果。這些理論模型確實在解決某些具體問題上起到了作用,但存在的問題也是明顯的:：（1）混凝土損傷機(jī)理的研究是混凝土結(jié)構(gòu)損傷分析的基礎(chǔ),針對混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境和其材料特性,雖然主要關(guān)心的應(yīng)是其宏觀性質(zhì)的變化,但要

9、真正、全面地解決混凝土的損傷問題,應(yīng)該把唯象的方法和細(xì)觀的方法結(jié)合起來,也就是需要把力學(xué)的研究和材料(從細(xì)觀層次) 的研究結(jié)合起來,目前這方面的研究在混凝土材料中還開展得不夠。（2）當(dāng)今的研究工作中,對損傷因素的探討幾乎都集中于疲勞和地震,模型不具有針對不同損傷原因的普遍適應(yīng)性。又由于試驗大都是通過各種構(gòu)件完成,對構(gòu)件的損傷累積不能推廣到材料層次,模型不具普遍性,這給工程應(yīng)用帶來困難。（3）由于對混凝土及結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理的深入認(rèn)識和可靠度理論的應(yīng)用,人們已經(jīng)把研究興趣更多地從對承載極限轉(zhuǎn)移到使用極限狀態(tài)上來. 如何逐步地把損傷研究和可靠度理論結(jié)合起來,并在實踐中加以應(yīng)用,是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計水準(zhǔn)的重要途徑。（4）混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析問題是混凝土科學(xué)發(fā)展的核心問題之一,正確地反映結(jié)構(gòu)非線性行為的隨機(jī)演化特征是解決這一問題的關(guān)鍵. 而欲理想地進(jìn)行這一問題的研究,最基礎(chǔ)性的工作即為對于隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系的研究. 高性能混凝土的發(fā)展,使得進(jìn)行這類研究的必要性變得更為現(xiàn)實而迫切。參考文獻(xiàn)：1于