混凝土宏观本构模型研究进展

近年来,随着结构工程的快速发展,对工程结构在罕遇地震和风载作用下的精准数值模拟与性能化设计提出了更高需求。结构工程中的混凝土材料属于准脆性材料,试验表明混凝土具有显著的受压软化、受拉软化、剪切软化和捏拢效应等难题,传统混凝土材料的数值模拟精度已严重制约了结构工程的发展。此外,由于大型商用有限元软件中提供的混凝土本构模型相对较少,也不利于非线性数值模型的推广应用。本文概述了结构工程数值模拟中常用的六种混凝土数值模型,包括非线性弹性模型,脆性裂缝模型,弹塑性裂缝模型,损伤模型,微平面模型和基于解耦假定的全量型本构模型,并基于文献调研评价了已有模型的不足。本文可为结构工程领域的研究与设计人员提供混凝土本构模型的选用和参数标定提供相关依据。     

基于裂缝扩展准则的混凝土重力坝裂缝扩展全过程数值分析

将裂缝扩展准则应用于混凝土重力坝裂缝扩展全过程分析,结合虚拟裂缝模型计算了经典混凝土重力坝模型的断裂特性,并与其他数值方法进行了对比.结果表明:利用该数值方法得到的混凝土重力坝模型的外荷载-裂缝口张开位移曲线及裂缝扩展路径与试验结果均吻合良好;当给定了混凝土材料的起裂断裂韧度、断裂能、抗拉强度等参数后,即可采用该数值方法对混凝土重力坝裂缝扩展全过程进行分析.     

带裂缝服役混凝土结构力学性能的多尺度模拟方法

为了研究既有裂缝及其扩展对服役混凝土结构力学性能的影响，建立了以随机骨料和黏结单元为基础的细观结构黏聚区模型，并进一步建立了带裂缝混凝土梁的一致多尺度等效模型。在开裂区域引入符合牵引分离准则的黏结单元来考虑裂缝的随机扩展，通过随机骨料投放来模拟骨料、砂浆等混凝土的细观结构组成。采用已有试验结果对细观结构黏聚区模型进行了验证，该方法能够模拟混凝土裂缝的随机扩展及其应力-应变全过程曲线。然后，对不同裂缝深度的混凝土试件进行单轴拉伸试验的数值模拟，采用一致多尺度模型对不同裂缝深度的混凝土梁进行模拟，并对其计算效率和精度进行了比较。结果表明：对于初设裂缝深度小于0.3h(h为混凝土试件高度)，试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响很小，而当初设裂缝深度大于0.3h时，试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响明显；随着初设裂缝深度的增加，混凝土的抗拉强度和弹性模量以及混凝土梁的抗弯刚度、受弯承载力逐渐减小；在不同区域采用不同控制尺度建立的一致多尺度细观结构等效模型能够模拟混凝土梁的裂缝及其随机扩展，并且能在不显著影响其计算效率的情况下保证其计算精度。     

基于损伤塑性模型的混凝土双K断裂参数确定

利用混凝土损伤塑性模型,对混凝土三点弯曲梁(TPB beam)损伤-断裂过程进行数值模拟;再通过数值模型,从损伤起始临界时刻定义起裂荷载,由峰值荷载时刻损伤因子的分布确定裂缝失稳扩展时刻的临界等效有效裂缝长度,提出了确定混凝土起裂断裂韧度、失稳断裂韧度的新方法.研究结果表明:基于损伤塑性模型的混凝土三点弯曲梁数值模型,...     

往复荷载下预应力混凝土结构的数值模拟

现阶段,预应力技术得到广泛应用,深入研究预应力混凝土结构或构件的抗震性能有着重要的工程意义。在往复荷载下,预应力混凝土结构或构件的材料和力学行为复杂,需要借助数值模型加以准确模拟。本文基于杆件结构纤维模型程序,编制了预应力混凝土杆系结构及构件的数值分析模型。利用该模型,本文对往复荷载下的一榀有粘结预应力混凝土框架试件和一榀无粘结预应力混凝土框架试件,以及一根无粘结预应力混凝土柱试件进行了数值模拟。计算结果与试验结果的对比表明,由于采用了合理而准确的材料滞回模型并合理考虑了预应力的影响,本文开发的杆系有限元数值分析模型能够准确预测往复荷载下预应力混凝土杆系结构或构件的滞回特性,可以用于预应力混凝土实际结构的计算分析及其受力机理的探讨。     

结合实例探讨钢筋屈服后混凝土楼板裂缝宽度的数值方法

本文首先以双向板塑性绞线法为背景,通过计算极限荷载判断楼板纵筋屈服,采用数值模拟的办法研究了钢筋屈服后混凝土楼板的裂缝宽度。这种方法基于Houde黏结滑移理论,假定模型条件和加设COMBINE39三维非线性弹簧单元模拟出钢筋与混凝土之间的黏结滑移,滑移产生的单元间相对位移差即为裂缝宽度。同时以工程实测裂缝宽度为依据,检验数值模拟裂缝宽度的可行性,为探究钢筋屈服后混凝土楼板裂缝宽度提供了实际参考价值。     

岩土材料的脆性研究

对岩土材料的脆性破坏过程进行正确描述是很困难的。目前,有关脆性的定义和度量还没有统一的说法,脆性既是变形特性又是材料特性。首先对岩土材料的脆性进行了讨论,然后在总结脆性度量方法的基础上建议了一个可以描述材料脆性变化的脆性指数,并验证了这一指数可以较好地描述岩土材料在受荷时的脆性变化,最后应用二元介质模型,对岩土材料在受荷过程中的应力应变特征进行了模拟。模拟结果表明:这一模型可以模拟低围压下的应变软化到高围压下的应变硬化现象,并且脆性指数随着围压的增大而逐渐减小。     

用薄层单元模型模拟混凝土裂缝

介绍了分离裂缝模型、弥散裂缝模型、断裂力学裂缝模型三种常规处理裂缝模型,并重点分析了用薄层单元模拟钢筋混凝土结构的离散裂缝,为进一步研究混凝土的开裂提供了参考。     

FLAC3D应变软化与摩尔库伦模型工程应用对比

为探索能合理反映围岩应变软化特征的数值分析方法,设计了2组单轴数值实验,对摩尔库伦模型与应变软化模型进行对比分析,以得到不同本构条件下岩石的应力应变规律的差异;选取小官庄铁矿一段深埋巷道进行了数值模拟,分析了围岩在不同本构下的位移、塑性区的分布规律;基于FLAC3D内嵌的fish语言,编制了计算围岩点安全系数的程序,对不同本构模型下围岩的稳定性进行了评价。分析结果表明:应变软化模型得到的围岩竖向与水平位移均大于摩尔库伦模型下的对应结果,塑性区向直墙两侧与拱顶扩展更深。应变软化模型计算得到的围岩不稳定区域增大,表明巷道开挖对围岩扰动范围更大。应变软化模型的结果更接近于工程实际,更合适反映深埋工程的应力变形特性。     

混凝土空心砌块砌体模型的弹性数值模拟

简要介绍了混凝土小型空心砌块砌体模型结构的原型结构、模型结构。根据模型试验的制度,建立以三维有限元模型来弹性数值模拟模型结构的动力特性,通过动力特性的模拟对比分析,试验值与模拟值符合较好,将砌体考虑成单相材料是可行的,为砌体结构有限元分析及在现行规范的基础上深化结构设计提供参考。     

A compression-tension concrete damage model, applied to a wind turbine reinforced concrete tower

Structures subjected to cyclic loads show alternative tension-compression stress states; in such a case, even if certain damage (fracture) is reached during the tension cycle, the computational model of the structure should maintain its capacity to withstand subsequent compression based only on the contact effect in the damaged area (opening, closing and reopening of cracks). In order to control this behavior, a phenomenological constitutive model able to consider the contact as a structural limitation is required. From the constitutive point of view, geomaterials have different damage thresholds for tension and compression and, from the structural point of view, it must be ensured that the material damaged in tension still resist compression. In this case, it is accepted that cracks behave as a contact surface at the structural level. To meet the above mentioned phenomenology, a modification of the damage model differentiated in tension and compression proposed by Faria et al. [Faria R, Oliver J, Cervera M. A strain-based plastic viscous-damage model for massive concrete structures. Int J Solids Struct 1998; 35:1533-58] is performed in this paper, considering independent strength thresholds in each of these processes, controlled with two independent discontinuity threshold functions. Also, in this work an elasto-plastic constitutive model is used to represent the behaviour of the steel bars.     

基于不同损伤本构模型的钢筋混凝土剪力墙结构数值模拟

混凝土材料的力学行为具有典型的非线性与随机性特征。而科学合理的本构模型是进行混凝土结构动力反应与抗震整体可靠性分析的基础。为深入研究该问题,采用三类不同的混凝土损伤本构模型,包括混凝土塑性损伤本构模型、混凝土细观随机断裂损伤模型和考虑拉压软化效应的混凝土细观随机断裂损伤模型,对1个9层钢筋混凝土剪力墙结构进行精细化动力反应数值模拟,并与已完成的振动台试验结果进行对比。结果表明：采用三类模型均能较好地预测混凝土剪力墙结构的顶层位移最大值;然而,由于不合理地假定了损伤完全决定于塑性,采用经典塑性模型难以获得正确的结构层间位移角分布和损伤分布;与之相比,采用混凝土细观随机断裂损伤模型能够很好地反映混凝土结构的失效模式、裂纹开展和损伤分布,尤其通过进一步引入拉压软化效应,不仅能够定量反映上述特征及弯剪破坏形态,而且能够反映试验中存在的底部受压破坏模式。     

钢纤维混凝土断裂破坏机理及受拉损伤本构试验研究

钢纤维混凝土断裂行为及受拉本构关系对其工程应用起到至关重要作用,目前尚无本构模型揭示基体开裂与纤维拔出所产生的能量耗散的演化规律。文章通过开展钢纤维混凝土带缺口梁三点弯试验,利用声发射技术监测试件断裂过程中不同微观开裂模式所对应的能量耗散的演化规律,结合损伤力学原理建立钢纤维混凝土的单轴受拉弹塑性损伤本构模型。试验研究3种基体混凝土配合比、4种钢纤维体积率(0、0.5%、1.0%和1.5%)共36个试件。根据试验结果,提出钢纤维混凝土断裂破坏的4个阶段及其临界状态判别标准,得到钢纤维混凝土断裂能、轴心抗拉强度与钢纤维体积率之间的关系。并提出基于声发射峰频分析判别受拉与剪切开裂模式的新方法。基于两类开裂模式的声发射能量监测结果,拟合得到基体混凝土开裂损伤因子、钢纤维桥接作用损伤因子的数学表达式,建立钢纤维混凝土单轴受拉弹塑性损伤本构模型。与RILEM和fib模型对比表明：文章模型计算的应力-应变曲线与RILEM模型较接近;在钢纤维体积率小于0.5%时,文章模型计算的应力-应变曲线在峰值后表现出软化行为,而在钢纤维体积率大于1.0%之后则表现出硬化行为;能够计算断裂全过程中的钢纤维桥接应力。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

An enhanced damage plasticity model for predicting the cyclic behavior of plain concrete under multiaxial loading conditions

Some of the current concrete damage plasticity models in the literature employ a single damage variable for both the tension and compression regimes, while a few more advanced models employ two damage variables. Models with a single variable have an inherent difficulty in accounting for the damage accrued due to tensile and compressive actions in appropriately different manners, and their mutual dependencies. In the current models that adopt two damage variables, the independence of these damage variables during cyclic loading results in the failure to capture the effects of tensile damage on the compressive behavior of concrete and vice-versa. This study presents a cyclic model established by extending an existing monotonic constitutive model. The model describes the cyclic behavior of concrete under multiaxial loading conditions and considers the influence of tensile/compressive damage on the compressive/tensile response. The proposed model, dubbed the enhanced concrete damage plasticity model (ECDPM), is an extension of an existing model that combines the theories of classical plasticity and continuum damage mechanics. Unlike most prior studies on models in the same category, the performance of the proposed ECDPM is evaluated using experimental data on concrete specimens at the material level obtained under cyclic multiaxial loading conditions including uniaxial tension and confined compression. The performance of the model is observed to be satisfactory. Furthermore, the superiority of ECDPM over three previously proposed constitutive models is demonstrated through comparisons with the results of a uniaxial tension-compression test and a virtual test.     

基于不同本构模型的混凝土结构地震倒塌对比分析

基于混凝土材料本构模型,结合精细化结构单元模型和高效稳定的数值算法,实现了混凝土结构的动力倒塌全过程分析。对建模方法、结构分析方法、材料与构件失效准则等进行了简要介绍。以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例,分别采用混凝土弹-脆性本构模型、弹塑性本构模型和随机损伤本构模型进行了结构地震倒塌全过程分析。结果表明：混凝土本构模型对结构倒塌分析具有重要的基础地位,本构模型选取不当,将给出错误的倒塌模式或分析结果;混凝土随机损伤本构模型能够准确地预测结构的强非线性行为,可用于复杂混凝土结构倒塌全过程的模拟。     

钢筋混凝土框架顶层中节点的非线性有限元分析

本文应用非线性有限元法分析了钢筋混凝土框架顶层中节点的非线性性能。弹塑性本构关系是建立在Ｄａｒｗｉｎ的模型和Ｃｏｌｌｉｎｓ的斜压场理论基础上，并考虑了混凝土等效单轴受拉软化、受压软化、及钢筋和混凝土之间的粘结滑移，据此编制了非线性分析程序。对顶层中节点在单调荷载作用下裂缝的发展、受力性能及变形特征进行了分析，并和试验结果进行了比较。     

混凝土火灾损伤本构模型研究

混凝土材料在高温作用下的力学性能研究对混凝土结构防火设计和火灾损伤评估具有重要意义。构建了混凝土火灾损伤本构模型,引入热损伤反映温度对混凝土弹性模量、抗拉强度、抗压强度等力学参数的影响,考虑到混凝土受拉和受压状态下的不同的损伤特性,将混凝土材料的损伤分为受压损伤、受拉损伤和热损伤三种。建立了损伤演化、塑性流动以及内变量演化方程,通过塑性-损伤耦合,描述了不同温度和应力状态下混凝土的应力-应变特性,证明了模型严格符合热力学定律。利用所建立的本构模型对不同温度下的混凝土单轴拉伸、压缩试验进行了模拟计算,计算结果与试验结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。     

木材非线性受力行为的表征方法研究进展

木材非线性受力行为的表征方法对木结构构件和节点受力行为的有限元分析具有至关重要的影响。为此,从木材失效行为的判别依据和材料本构模型两方面对该领域的研究进展进行了梳理总结。结果表明,已有的强度准则各有其局限,难以全面地反映木材复杂的失效行为。在数值模拟中常需要结合不同强度准则以提高预测模型的计算精度。弹塑性本构模型能够合理反映木材在压应力作用下的硬化行为,并且能够描述木材出现的残余变形,但该模型难以描述木材在拉应力和剪应力作用下的刚度退化和强度软化行为。弹性损伤理论可在一定程度上反映材料的软化行为和反复加载过程中的刚度退化行为,但该理论不能考虑材料的塑性变形。基于上述理论建立的黏聚区单元的初始刚度和相邻单元长度对计算结果具有显著的影响。三维弹塑性损伤模型已经被应用于木结构构件和螺栓连接节点的有限元分析中,此类模型能有效反映构件和节点区域木材的损伤演化规律。随机损伤本构模型和非局部化损伤模型是未来的发展趋势。     

碾压混凝土各向异性徐变损伤本构模型

碾压混凝土的徐变包括低应力水平下的近似线性徐变和高应力水平下的非线性徐变，在低应力水平下，损伤值较小，徐变近似线性，可以应用叠加原理；在高应力水平下，损伤值较大，徐变表现为明显的非线性，叠加原理不再适用，高应力水平下徐变的非线性特征可以用线性徐变和损伤耦合来描述。根据碾压混凝土材料损伤拉压显著不同的特点，分别在拉压应变空间建立了碾压混凝土的损伤演化方程，考虑粘弹性与损伤耦合，应用正交各向异性损伤理论来描述由于微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化，该模型能够较好地描述碾压混凝土的在复杂应力状态下的非线性徐变特性。