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。     

混凝土塑性损伤模型损伤因子研究及其应用

在有限元软件ABAQUS中,为混凝土材料定义了一种材料模型:塑性损伤模型,它可以模拟混凝土材料的拉裂和压碎等力学现象,而且使用也较为方便.本文基于能量损失原理,编制相关的计算程序,获得了现行《混凝土结构设计规范》提供的混凝土受压和受拉应力-应变关系曲线对应的混凝土损伤因子随应变增长的变化曲线.基于本文的研究成果,介绍了...     

混凝土在多维应力状态下的损伤本构模型

已有的混凝土平面应力有限元分析均是利用单轴应力-应变本构关系,其中经验系数的选取带有相当的主观色彩,因此十分有必要建立混凝土在多轴应力特别是二维应力状态下的本构关系并直接应用于非线性分析.基于连续损伤力学的理论框架,作者建立了理论上较为完备、应用较为简单的确定性混凝土拉剪弹塑性损伤本构模型.模型数值模拟和已有试验结果的对比表明,本文建议模型能够很好的描述双轴应力条件下混凝土材料的弹性区域包络线以及强度包络线,同时应力-应变全过程结果和Kupfer (Kupfer et al.1969)的试验结果吻合良好,能够很好的模拟混凝土双轴受压强度的提高和双轴拉压应力状态下的"拉压软化效应",这对混凝土结构的非线性分析是非常重要的.     

混凝土弹塑性损伤本构模型研究Ⅰ:基本公式

从分析混凝土材料的基本损伤机制出发,本文采用受拉损伤变量和受剪损伤变量反映微观损伤对混凝土材料宏观力学性能劣化的影响,建议了一类基于能量的弹塑性损伤本构模型。该模型基于有效应力张量分解定义材料的弹性Helmholtz自由能,并根据有效应力空间塑性力学确定了塑性变形的演化法则和塑性Helmholtz自由能。由此给出了材料的总Helmholtz自由能和弹塑性损伤能释放率,建立了符合热动力学基本原理的损伤准则,并根据正交法则得到了损伤变量的演化法则。对Kupfer双轴试验的数值模拟结果初步说明了模型的有效性。文中涉及到的数值算法及进一步的试验验证将在本文第Ⅱ部分给出。     

爆炸振动对塑性混凝土防渗墙的影响

 根据混凝土结构设计规范和混凝土材料力学特性的研究成果,在塑性混凝土室内力学特性实验的基础上提出适合塑性混凝土材料受压和受拉状态下的全应力–应变关系。同时结合损伤力学中的能量等效原理,分别定义塑性混凝土材料在受压和受拉状态下的损伤定义,分析损伤发展过程。在此基础上,以辽宁红沿河核电站取水口施工围堰的防渗墙爆破振动控制为背景,采用数值计算分析在爆炸振动作用下,防渗墙顶部质点振动速度与防渗墙损伤面积的关系,据此制定塑性混凝土材料的爆炸振动速度控制标准。分析结果表明,当周围爆炸作用在防渗墙顶部产生的振动速度小于3.0 cm/s时,不会对混凝土产生影响;当振动速度为3.0～7.5 cm/s时,塑性混凝土损伤面积随振动速度线性增长;当振动速度超过7.5 cm/s时,损伤开始加速上升,防渗墙开始产生结构和功能性的破坏。     

考虑损伤的混凝土板纯弯曲强度计算

首先介绍了纯拉伸时的线性损伤模型,然后以单位宽度矩形截面的混凝土板带作为计算模型,在引入混凝土初始损伤及其演化等因素的条件下,对混凝土板模型进行了强度计算,得出了混凝土板在考虑损伤影响情况下的受压、受拉应力偏离常规值的程度以及所能承受的极限弯矩荷载等结论.研究表明考虑损伤的强度计算将更接近混凝土构件的受力情况和破坏荷载.     

混凝土单轴本构模型研究及ABAQUS二次开发

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)以损伤本构的形式给出了素混凝土单轴本构模型。通过用户材料子程序(UMAT)将规范混凝土单轴本构模型在ABAQUS中进行二次开发,将其骨架曲线与经典的Mander模型和过-张模型做比较,并研究其损伤发展规律。规范没有给出完整的滞回规则,如受拉卸载时的滞回规则及受压加载后卸载到受拉时的滞回规则。基于损伤理论对规范本构模型做了补充,使之包含所有的加载路径。     

混凝土弹塑性单轴受压分形损伤本构关系研究

考虑混凝土单轴受压破坏机理,在混凝土静力损伤基础上引入弹簧-摩擦块模型,以模拟混凝土弹塑性阶段的细观结构变化。基于细观模型中弹簧、摩擦块对混凝土断裂面的影响,分析了混凝土受压损伤的破坏规律,建立了不同强度等级混凝土弹塑性单轴受压损伤本构模型,采用混凝土分形曲面模拟方法对所建模型进行了验证。结果表明：所建立的模型能够较好描述混凝土的塑性变形,对混凝土弹塑性的离散范围具有良好的预测能力。     

基于随机损伤理论的C80及以上高强混凝土单轴受压应力应变模型

对已有高强混凝土单轴受压应力应变模型进行回顾并对比各模型间的差异;引入随机损伤理论建立高强混凝土单轴受压随机损伤模型,与已有试验结果对比验证模型的合理性;基于验证后的随机损伤模型提出C80～C100高强混凝土单轴受压应力应变均值曲线;最后基于损伤因子及损伤因子演化率提出C80～C100高强混凝土脆性评价方法。结果表明：混凝土随机损伤模型可较好反映高强混凝土单轴受压应力应变关系;与经验模型相比,随机损伤模型既可在一定程度上解释混凝土破坏的物理机制,亦可反映混凝土随机性与非线性的基本特征。     

基于损伤理论的腐蚀混凝土单轴受压本构模型

通过检测有机物和微生物、强酸、无机盐对混凝土的腐蚀作用的试验,研究受腐蚀混凝土的单轴受压本构关系变化规律。引入了混凝土随腐蚀介质和时间变化的参数,结合基于损伤理论的混凝土本构模型,通过对实验数据的拟合提出了腐蚀混凝土单轴受压本构模型。并利用该模型对腐蚀构件进行有限元分析,证明其优于普通混凝土本构模型。     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更     

早龄期混凝土单轴拉伸试验的数值模拟

基于强度为C40,龄期分别为2d,7d,28d的混凝土单轴拉伸试验,通过编制用户子程序调用通用有限元软件ABAQUS中的损伤塑性模型,对试验进行了数值模拟。该模型将损伤和塑性作为材料的两个内变量,共同引起混凝土的强度变化及变形。混凝土试件宏观裂缝的出现及扩展（应变软化段）由耦合了损伤变量的弥散裂缝模型进行计算。将模拟出的应力一位移曲线与试验曲线进行对比,并将不同龄期的曲线之间进行了相互对比。结果均令人满意。通过对模拟出的塑性应变场、损伤场的分析,形象地再现了早龄期混凝土试件单轴拉伸破坏的全过程,为早龄期混凝土结构的拉伸损伤断裂过程分析提供了有力的数值工具。     

混凝土面板坝面板动力损伤有限元分析

联合采用混凝土塑性损伤模型和堆石料弹塑性本构模型,建立了面板堆石坝弹塑性动力分析方法,研究了地震荷载作用下混凝土面板的损伤发生和发展过程。计算结果表明：地震时,在0.65H（H为坝高）附近顺坡向拉应力最大,面板首先在该部位出现损伤,同时由于鞭稍效应,0.85H面板附近也出现损伤;采用损伤模型,损伤部位的面板出现软化,应力得到释放,计算结果比线弹性模型更加合理;采用塑性损伤模型可以反映混凝土面板渐进破坏过程,通过损伤变量可以清晰地了解面板的损伤分布和薄弱环节。此研究成果可以为进一步开展混凝土面板堆石坝极限抗震能力及抗震措施分析提供有效手段。     

水泥土的弹塑性损伤试验研究

首先阐述了损伤理论中损伤变量的定义及其测定 ,并介绍了基本的损伤本构关系。然后通过对水泥土的弹塑性损伤试验 ,探讨了水泥土的损伤机制 ,并得到了一系列损伤关系曲线 ,为建立水泥土的弹塑性损伤模型奠定了基础。     

ABAQUS混凝土塑性损伤模型概述

该文对大型非线性有限元分析软件ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型进行了详细的介绍。着重讨论了混凝土塑性损伤模型的基本理论和损伤因子基于《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[4]附录C应力-应变曲线的计算方法。同时也对ABAQUS中塑性损伤材料模型的滞回规则、屈服准则和流动法则作了简要介绍。     

基于随机损伤模型的混凝土轴拉破坏过程研究

 采用一维细观力学随机损伤模型,从材料加载过程中损伤能量耗散与应变能释放之间的能量平衡出发,对混凝土试件单轴拉伸破坏过程的稳定性进行分析并得到了破坏过程稳定开展的判定条件。利用这一条件确定了材料由均匀损伤过渡到局部损伤的临界状态,同时指出临界状态异于且滞后于峰值应力状态。临界状态后若为非稳定破坏将发生应力跌落,是材料脆性破坏的表现,若为稳定破坏则材料延性更为明显。理论分析结果表明,包含应力跌落的应力–应变软化不仅与材料力学性能的非均匀性有关,还与试件结构尺寸有关,具有明显的尺寸效应,不能视为单纯的材料属性。最后分别以材料极限应变服从Weibull分布和对数正态分布描述材料的非均匀性,对不同尺寸的混凝土试件轴拉破坏过程进行模拟,表明了所给出结论的合理性。     

钢纤维增强混凝土拉伸损伤本构特性

研究了钢纤维混凝土一维拉伸时的损伤行为，建立了损伤演化方程及损伤本构方程，并根据钢纤维混凝土一维拉伸试验曲线得到了损伤参量D的变化规律，提出了一种由损伤行为预测材料泊松比变化的矩形模型。     

塑性铰区采用纤维增强混凝土柱抗震性能试验研究

为了提高钢筋混凝土柱的抗震性能,考虑在其潜在的塑性铰区采用纤维增强混凝土(FRC)代替普通混凝土。设计6个剪跨比为3、柱内箍筋配置较少的钢筋混凝土柱试件,其中5个试件的潜在塑性铰区采用了FRC,另外1个试件的潜在塑性铰区未采用FRC,并对其进行拟静力试验。通过改变FRC区高度和强度以及柱轴压比,观测试件在低周反复水平荷载作用下的裂缝开展和破坏过程,研究其滞回特性、变形能力及耗能能力。结果表明,与普通钢筋混凝土柱相比,塑性铰区采用FRC且柱内箍筋配置较少的柱,其破坏形态为纵向受力钢筋屈服后的剪切破坏,具有较好的变形能力和损伤容限;在材料强度、柱轴压比不变时,FRC区高度增加1倍,位移延性系数、极限位移角分别提高45%和21%,耗能能力提高81%;局部使用FRC可以减少约束箍筋和抗剪箍筋用量。