混凝土損傷模型綜述_本構模型

1、混凝土損傷模型綜述_本構模型論文導讀:：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模型基礎之上,對比研究了各個模型的特點及各自適用范圍，并對有待進一步研究的問題進行了討論。論文關鍵詞：混凝土，本構模型，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，當前廣泛應用于各個領域本構模型，當然，在土木工程和采礦工程中也是必不可少的，在結構工程等混凝土更為廣泛應用的研究領域，人們已經(jīng)對混凝土的力學特性進行了廣泛的研究本構模型，但是對混凝土損傷與斷裂過程中的裂紋擴展以及損傷與斷裂機制等基本問題，還需要進一步的研究。隨著結構形式由單純的一般房屋建筑結構擴展到重力式海洋

2、平臺、高拱壩、核電站混凝土保護層和大跨度混凝土橋梁等復雜結構,結構的工作環(huán)境和荷載作用也變得更加復雜,導致許多新的工程和力學現(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,以適應工程實際的需要。在混凝土的損傷研究中,大量學者針對具體工程情況提出了各種不同的損傷本構模型,但是由于適用條件的特殊性及所建立模型的復雜化,很少有一種能夠有明確的物理意義、表達簡單、便于工程師接受的一般損傷本構關系式。從物理意義來看損傷力學是比較適合用來描述混凝土材料的本構關系的。本文基于對損傷本構模型的思考,結合有待進一步研究的問題,對一些有代表性的損傷模型進行了綜述。2 混凝土損傷本構模型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,所得到的應力-應變曲線和所采用的試驗結果較符合論文服務。但是有效應力在第二階段假定為一常數(shù),得到的應力- 應變是線性關系,這是值得商榷的。2.1.2 Mazars 損傷模型該模型的特點:假定峰值應力前應力- 應變關系為直線,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)介質損傷力學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)試驗應力-應變全曲線數(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 所參照的應力- 應變曲線不呈現(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:如果用有效應力張量代替柯西應力張量,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. 但應力峰值前的零損傷

5、假設與實際情況不符. 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材料內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理與宏觀性質的銜接上作出了有意義的嘗試，根據(jù)平面幣狀損傷假設, Helmholtz 定義了由裂紋密度表示的自由能表達式,根據(jù)正交法則得到三維損傷應力應變關系,損傷剛度張量由裂紋密度表達。從研究表明本構模型，混凝土在受到外界作用之前由于內部微缺陷導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性質也是各向同性的. 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,損傷的主方向與應力的主方向相同,第一主損傷方向即為第一主應力方向. 并且,損傷導致了材料的各向異性. 已有的各向同性損傷模型在復雜應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,應該把發(fā)展既具有較強的預測能力,并且又適于應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?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,并伴有殘余應變產(chǎn)生。顯然彈性損傷本構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關系及加載準則3。2.4 混凝土塑性損傷模型理論采用損傷力學處理塑性變形有兩種方法：（1）假設損傷僅對材料的彈性特性有影響，在Cauchy應力空間利用經(jīng)典的塑性力學?；炷吝M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）在有效應力空間內利用塑性力學基本公式。由于有效應力空間內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雜處理問題論文服務。2.5混凝土隨機損傷本構關系在外荷載或環(huán)境作用下、由于細觀結構的缺陷(如微空洞、微裂紋等) 所引起的材料或

8、結構的劣化過程稱為損傷.?；炷敛牧系娘@著特點是非均質性和多相多孔性,反映在力學性能的明顯特征是宏觀力學指標的離散性. 混凝土材料受力全過程試驗結果表明2 ：混凝土材料破壞過程與其內部損傷的發(fā)展密切相關.?；炷翍? 應變全過程曲線具有明顯的非線性和離散性特點。3 結束語損傷力學理論的問世,為混凝土本構理論的研究提供了新的理論框架,各國學者經(jīng)過三十多年的研究工作,在該領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）混凝土損傷機理的研究是混凝土結構損傷分析的基礎,針對混凝土結構的工作環(huán)境和其材料特性,雖然主要關心的應是其宏觀性質的變化,但要

9、真正、全面地解決混凝土的損傷問題,應該把唯象的方法和細觀的方法結合起來,也就是需要把力學的研究和材料(從細觀層次) 的研究結合起來,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性。又由于試驗大都是通過各種構件完成,對構件的損傷累積不能推廣到材料層次,模型不具普遍性,這給工程應用帶來困難。（3）由于對混凝土及結構的損傷機理的深入認識和可靠度理論的應用,人們已經(jīng)把研究興趣更多地從對承載極限轉移到使用極限狀態(tài)上來. 如何逐步地把損傷研究和可靠度理論結合起來,并在實踐中加以應用,是提高結構設計水準的重要途徑。（4）混凝土結構的非線性分析問題是混凝土科學發(fā)展的核心問題之一,正確地反映結構非線性行為的隨機演化特征是解決這一問題的關鍵. 而欲理想地進行這一問題的研究,最基礎性的工作即為對于隨機損傷本構關系的研究. 高性能混凝土的發(fā)展,使得進行這類研究的必要性變得更為現(xiàn)實而迫切。參考文獻：1于