混凝土多轴弹塑性损伤本构模型

建立了混凝土的多轴弹塑性损伤本构模型.考虑到混凝土在受拉和受压荷载作用下的不同破坏机理,将应力张量分解成受拉和受压两部分,定义了塑性屈服函数,从而达到考虑混凝土塑性变形的目的.在连续损伤力学理论的框架内定义了相应的损伤变量,并分别给出了损伤准则,以描述材料的不同损伤过程.对混凝土的单/双轴受拉和单/双轴受压四种加载情形进行了数值计算,并与相关的试验对比,结果验证了模型的正确性及有效性.     

基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析

为预测木材复杂的受力行为,在弹塑性理论和连续介质损伤力学的框架内建立了木材三维弹塑性损伤本构模型。采用Hill屈服准则和Voce强化模型描述木材受压硬化行为;通过修正后的Hashin破坏准则和指数型损伤演化模型控制木材受拉、受剪的损伤演化过程。基于应变增量法求解本构模型的数值解,并采用Newton-Raphson迭代法求解塑性应变。通过编写用户自定义子程序（UMAT）将本构模型嵌入商业有限元软件ABAQUS,并根据试验结果对本构模型进行了验证。针对木材顺纹和横纹受压试验的数值模拟结果表明,该模型可以有效地描述木材的受压非线性硬化行为。针对木材斜纹受拉试验的数值模拟结果表明破坏准则可以较为准确地识别木材在横纹拉应力和顺纹剪应力作用下的破坏模式,损伤演化模型可以合理地控制木材的损伤演化过程。     

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。     

矩形钢管混凝土受弯构件材料本构关系与失效判据研究

为了正确评估矩形钢管混凝土(CFST)受弯构件的承载力,提出钢管和核心混凝土材料本构关系的修正模型,建立CFST受弯构件的承载力失效判据。首先,考虑受拉区钢管双轴受拉有利应力状态及受压区钢管双轴拉压不利应力状态,并基于矩形CFST轴压短柱试验数据库,通过回归分析建立约束混凝土峰值应力表达式,在此基础上建立矩形钢管混凝土材料本构关系的修正模型。其次,基于构件承载能力极限状态,并合理考虑受拉区钢管的应变强化段,提出矩形CFST受弯构件的承载力失效判据。最后依据纤维模型法和试验数据库对比分析CFST受弯构件的不同材料本构关系和失效判据的精度及适用性。结果表明,所建立的CFST构件材料本构关系和承载力失效判据能够更加准确地反映矩形CFST构件的抗弯能力,具有更高的计算精度和广泛的适用性。     

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.     

再生玻化微珠保温混凝土随机损伤单轴受拉本构关系研究

考虑到再生玻化微珠保温混凝土组成材料物理性能的差异性,通过对不同原生强度再生骨料配制的再生保温混凝土受拉本构关系的研究,以及对建立的细观单元中弹簧弹性模量质量相对关系的分析,揭示了再生玻化微珠保温混凝土的受拉破坏机理,定义了受拉损伤变量。在弹簧模型理论的基础上,得到了再生玻化微珠保温混凝土受拉随机损伤本构模型和应力均值表达式,模型能很好地反映出混凝土在受拉时的损伤演化和刚度退化过程,并且模型计算结果与试验结果基本一致。     

冻融循环作用下煤矸石混凝土的损伤特性及本构关系

考虑煤矸石粗骨料取代率(0、20%、40%、60%)的影响,开展冻融循环试验、单轴受压本构试验及声发射检测试验,研究煤矸石混凝土的损伤本构模型。结果表明:不同取代率煤矸石混凝土的相对峰值应变与冻融损伤值具有较高的相关性,所得冻融损伤值与相对峰值应变的方程可为本构模型的建立提供有效参数。煤矸石混凝土声发射特性与其荷载损伤发展情况、力学性能、应力应变曲线有紧密联系,基于受压声发射特性,采用PBS平行杆力学模型建立了未冻融循环作用下煤矸石混凝土的荷载损伤模型,并结合其冻融损伤模型,建立了煤矸石混凝土冻融损伤本构关系,计算结果与试验数据符合较好。该模型能较准确地反映混凝土在冻融和单轴受压荷载作用下的全过程损伤特征。     

基于能量的混凝土单轴受压塑性损伤本构模型

基于不可逆热力学理论及连续介质损伤力学理论,考虑材料的塑性变形与损伤变量之间的耦合关系,认为混凝土材料的塑性Helmholtz自由能与弹性Helmholtz自由能间存在某种内变量函数关系,以此重新定义损伤能量释放率的表达式,并给出内变量函数的具体表达式。参考Weibull分布曲线的形状,建立了损伤能量释放率与损伤变量的关系,推导单轴受压混凝土的损伤演化方程。根据混凝土材料单轴受压下的塑性特征,给出材料塑性变形关系的经验公式,从而建立完整的单轴受压混凝土的塑性损伤本构模型。通过与混凝土的单轴受压试验结果进行对比分析,验证所建模型的有效性,结果表明所建模型能较真实地反映混凝土的非线性行为和损伤演化过程。     

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。     

基于能量耗散的混凝土塑性-损伤模型

应用连续介质损伤力学和塑性流动理论,建立了基于能量耗散机制的塑性-损伤耦合模型。模型采用非关联塑性流动法则描述混凝土不可恢复变形的演化。模拟刚度退化的损伤变量演化函数则通过断裂能和应力-非弹性应变空间中的累积耗散能量建立。基于有限元程序ABAQUS,推导了增量格式的材料雅可比矩阵,构建了塑性-损伤模型的仿真分析程序。应用模型分析混凝土板平面内双轴受压试验、混凝土切口梁试验和钢筋混凝土梁受弯试验,计算获得的构件响应与试验结果吻合良好,能够反映多轴应力状态对混凝土抗压强度的影响,也能准确模拟损伤导致的构件非线性反应。     

温度和荷载共同作用下钢管混凝土短柱的性能分析

采用有限元模型研究温度与荷载共同作用下的钢管混凝土短柱的荷载-变形关系。该模型用来模拟一系列各种温度和力学加载条件下的钢管混凝土短柱试验,包括高温测试、常温下构件残余强度测试,以及无初始荷载的ISO-834标准温度下的构件测试。预测结果以及试验结果的对比表明:模型可以准确预测构件的荷载-变形关系。然后采用该有限元模型分析在具有初始荷载、加热和制冷条件下完全加载过程中的钢管混凝土短柱的性能,以观察构件横截面的应力分布和各个加载阶段的应力发展情况。所有构件在制冷过程之后都加载至极限强度,利用一系列参数对其残余应力进行了分析。结果发现:在温度和荷载共同作用下的构件极限强度,要比只有温度作用而无初始荷载的构件极限强度略低,但是在极限强度时,前者的最大应变显著增加。     

自密实混凝土结构抗火研究进展

对近年来自密实混凝土结构抗火研究进展作了总结,包括自密实混凝土高温材性试验和足尺自密实混凝土构件的抗火性能试验研究。从自密实混凝土高温下和高温后的力学性能、热工性能和应力-应变关系等方面入手,总结和分析了已有研究所取得的成果和尚存的一些问题。分析表明：高温下自密实混凝土质量和抗压强度损失严重,通过添加不同添加剂可使其得到改善。由于其密度高,在高温下自密实混凝土比普通混凝土更易发生高温爆裂,加入纤维可以有效抑制爆裂但会降低抗压强度。高温爆裂的抑制和抗压强度降低的平衡研究,自密实混凝土结构高温后损伤鉴定和修复加固,以及自密实混凝土加固结构的防火保护措施研究等是今后一段时间自密实混凝土结构抗火研究领域值得关注的课题。     

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.     

Finite element analysis of concrete-filled circular steel tubular columns subjected to post-earthquake fire

为研究圆钢管混凝土柱经历地震损伤后的耐火性能,选取了合理的地震损伤指数及材料本构模型,采用有限元分析软件ABAQUS,对钢管混凝土柱在往复荷载和火灾等不同工况下的试验进行了数值模拟验证。在验证模型可靠性的基础上,利用ABAQUS中的数据传递功能,建立了震损后圆钢管混凝土柱耐火极限有限元计算模型。以圆钢管混凝土典型轴心受压柱为分析对象,对其先后经历地震和火灾作用下的破坏形态、损伤机理进行了分析,研究了损伤指数对圆钢管混凝土柱震后耐火极限的影响。结果表明：震损后圆钢管混凝土柱在高温下的破坏形态是在前期地震损伤基础上的发展和蔓延;地震损伤指数是影响圆钢管混凝土柱震后耐火极限的重要参数,随着地震损伤指数增大,圆钢管混凝土柱的耐火极限有所减小。     

Concrete filled steel tube stub columns under combined temperature and loading

A finite element analysis (FEA) model was developed to predict the load versus deformation relationships of concrete filled steel tube (CFST) stub columns subjected to a combination of temperature and axial compression. This model was used to simulate a set of CFST stub column experiments under various thermal and mechanical loading conditions, including tests at high temperature, tests on the residual strength of specimens subjected to uniform heating, and tests on specimens exposed to the ISO-834 standard fire without initial loads. Comparisons between the predicted results and the test results show that this model can predict the load versus deformation relationships with reasonable accuracy. The FEA model was then used to investigate the behaviour of CFST stub columns in a complete loading history including initial loading, heating and cooling by examing the cross-sectional stress distribution and confinement stress development at different loading phases. All specimens were loaded to ultimate strength after cooling and the residual stress index was studied with respect to a group of parameters. It can be found that the ultimate strength when considering the mutual actions of temperature and loading was slightly lower than that after exposure to fire without initial load, but the peak strain corresponding to the ultimate strength was increased significantly.     

聚丙烯纤维对C80HPC高温后力学性能的影响

为了研究聚丙烯纤维对C80高强高性能混凝土高温爆裂及其力学性能的影响,对C80HPC和C80PPHPC进行高温后力学性能的研究,分析C80HPC和C80PPHPC的轴压强度、弹性模量、劈拉强度与不同受火温度之间的关系。试验结果表明：C80HPC和C80PPHPC的轴压强度、弹性模量和劈拉强度均随受火温度的升高而下降,C80PPHPC轴压强度、劈拉强度总体较C80HPC略高;200 ℃前C80PPHPC弹性模量值略大于C80HPC弹性模量值;经受300~600 ℃高温作用,C80HPC部分试件发生爆裂,而C80PPHPC均未爆裂,表明掺加聚丙烯纤维能够抑制爆裂和降低高温对高性能混凝土力学性能的损伤。     

火灾高温后混凝土剩余强度及本构方程研究

为了深入研究工程建设中几种C25～C40强度等级混凝土经历火灾高温后的力学性能变化规律,提出了相对精确的剩余强度计算方法和受压本构方程,以经历温度、混凝土强度等级、恒温时间为变化参数,设计并完成了120个棱柱体试件的轴压试验,分析了各变化参数对其峰值应力、轴压刚度及耗能能力的影响规律,并给出了相应的剩余强度计算公式和轴...     

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特性.针对上述特性,概述了结构工程数值模拟中常用的6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、...     

Temperature effect on the mechanical behavior of resin concrete

The investigation of the mechanical behavior of resin concrete is becoming important, as the types of resins are increasing and the use of resin concrete is no longer limited to repair work. The structural use of resin concrete requires accurate design that can be achieved through the utilization of the Finite Element method which requires a complete constitutive model and full understanding of the mechanical behavior of resin concrete. The investigation of stress–strain relations under repeated loading for resin concrete cylinders, prepared using different types of resins and different ratios of resins to aggregate and subjected to different temperature stations was carried out. Three types of resins (two epoxy and one polyester) available in the market were used at three different percentages of resins, 9%, 12% and 15% by weight to cast the cylinders. The cylinders were then subjected to four different temperature stations of 20, 100, 150 and 200°C and then tested in compression using six cycles of loading and unloading to get the stress–strain relation for each case. Direct compressive strength, split tensile strength, toughness and modulus of elasticity were also evaluated.