基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展

系统综述了基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟的研究现状,介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用。重点对微平面模型、二维格构模型、随机粒子模型、细观结构模型、可考虑微裂纹间相互作用的细观损伤模型、基于弹性损伤本构关系的细观结构模型及Gurson细观损伤模型等几种常用的基于细观损伤的混凝土本构模型的优、缺点进行了比较。最后指出了以后有待进一步研究的问题。     

混凝土动态损伤本构模型研究

对单向应力状态下钢纤维含量为0和2%的混凝土进行了单调加载试验。在峰值应变前,根据Weibull统计分布理论和等效应变假定原理得出混凝土损伤本构模型;在峰值应变后采用Lognormal统计分布理论和等效应变假定原理得出混凝土损伤本构模型。通过试验验证,该分段式模型可以有效描述单轴受压状态下混凝土的损伤过程。     

碾压混凝土的正交异性损伤本构模型研究

根据碾压混凝土拱坝的结构特性与碾压混凝土材料的破坏特征，以Sidoroff各向异性损伤理论为基础，建立了碾压混凝土正交异性损伤本构模型；基于正交异性损伤模型的损伤传递方式，导出了碾压混凝土材料的损伤演化方程。以碾压混凝土在复杂应力下的试验资料，对碾压混凝土正交异性损伤本构模型进行了验证。     

基于神经元网络的碾压混凝土材料剪切本构模型研究

碾压混凝土的分层形式对其力学性能有较大的影响．为了全面探讨碾压混凝土材料力学性能及为碾压混凝土结构数值分析提供材料参数，研究和建立了基于损伤的碾压混凝土材料剪切本构模型．由于现场原位抗剪（断）试验条件的限制，试验无法量测出试件的真实应变值．在考虑碾压层面点的强度、应变局部化效应的基础上，基于岩滩水电站现场碾压抗剪（断）试验结果，采用损伤模型的本构形式进行了碾压混凝土剪切本构研究，并建立了基于神经元网络的碾压混凝土剪切本构模型．     

混凝土MAZARS本构模型在ABAQUS中的数值实现及验证

由于对混凝土的非线性力学行为具有良好的模拟能力,在损伤力学框架内建立起来的MAZARS本构模型已在相关学术界和工程界得到广泛认可,但以非线性分析能力著称的通用有限元软件ABAQUS平台尚未内置MAZARS本构模型。为此,基于MAZARS本构模型基本理论与ABAQUS提供的用户材料模型接口,给出了基于ABAQUS的MAZARS本构模型数值实现流程,进而通过编制UMAT子程序对MAZARS本构模型进行了二次开发。在此基础上,通过开展混凝土单轴拉伸破坏过程模拟验证了程序开发的正确性,并结合混凝土重力坝、拱坝损伤破坏分析进行了初步应用。     

钢纤维混凝土内时损伤本构模型

本文在作者建立的普通混凝土内时损伤构型的基础上，引入纤维含量特征参数对损伤变量影响的系数。建立了钢纤维混凝土的内时损伤本构模型，该模型的特点是：把内时理论与损伤力学相结合，摆脱了古典塑性力学中屈服面的概念，又使模型中的参数和基本方程大大减少；考虑了不同纤维含量特征参数对本构模型的影响；使钢纤维混凝土和普通混凝土间的本构模型有机地联系在一起，便于应用。     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

混凝土重力坝在地震荷载下的稳定分析

采用混凝土损伤塑性本构模型,利用有限元分析软件ABAQUS进行混凝土坝的结构计算,分析某混凝土坝在地震荷载下的响应,分析结构的稳定性和任意荷载作用下结构的破坏情况.计算结构表明:采用混凝土损伤塑性本构模型,利用有限元分析软件ABAQUS进行混凝土坝的结构计算,可以更加直观反映混凝土坝的应力、应变和整个坝坡破坏发展过程....     

基于Weibull统计理论的混凝土率型损伤本构模型研究

为研究混凝土在股役期间的材料特性,进行了不同应变速率下(10^-5,10^-4,10^-3和10^-2/s)的混凝土单轴受压试验,分析了混凝土材料基本力学特性,试验结果表明:随着应变速率的提高,峰值应力和初始弹性模量呈现增大的趋势,峰值应力的变化规律并不明显。基于Weibull和Lognormal统计分布理论,以及Lemaitre应变等效原理,引入应变速率因素,构建出混凝土材料分段式率型单轴受压损伤本构模型。依据试验数据,确定了所建立的率型损伤本构模型参数;给出了不同速率下混凝土单轴受压应力-应变和损伤变化规律曲线。结果表明:建立的混凝土率型本构模型能够反映不同应变速率下混凝土单轴受压损伤全过程。     

基于能量守恒修正的混凝土损伤本构模型

为了改进传统的混凝土损伤本构模型,采用TAW-2000试验系统对养护3 d和28 d的混凝土试样进行了三轴力学特性试验,并通过混凝土加载过程中的能量计算方法,确定了混凝土变形过程中的总能量、弹性能和耗散能,根据能量守恒原理建立了可描述混凝土应力-应变关系的修正本构模型。通过模型曲线的对比验证了所建立本构模型的合理性和优越性,并明确了模型参数的物理意义。结果表明：以往本构模型曲线在混凝土应力-应变曲线峰后阶段具有较大的偏离度,而修正的本构模型曲线在应力-应变曲线峰后段的吻合度要更优。模型参数γ可较好地反映混凝土的脆性和延性特征,模型参数n可较好地反映混凝土的强度特征。     

混凝土受压性能的均质细观数值模拟

将混凝土看作由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料，在细观层次上建立了均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型，分别赋予细观单元弹脆性和弹塑性本构关系，研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程，分析了宏观应力应变曲线的差异，并将计算结果与试验结果做了比较。结果表明：混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的；界面相是混凝土材料内部最薄弱的地方；砂浆单元采用弹塑性本构关系时所得混凝土棱柱体受压的宏观应力－应变全曲线与试验结果吻合较好。     

混凝土坝抗震加固中钢筋混凝土的动力本构模型

基于复合材料细观力学和混凝土塑性损伤理论,针对混凝土坝抗震钢筋的分布形式和钢筋混凝土材料的力学特征,提出了钢筋单方向分布情况下钢筋混凝土材料的等效模量、等效强度的简化公式,在此基础上建立了整体式钢筋混凝土动力本构模型,并以Koyna坝为例,根据配筋前坝体的地震塑性损伤分析设置了配筋方案,分别运用整体式和分离式钢筋混凝土动力本构模型对该坝进行配筋计算,并进行了三维非线性地震响应时程分析,得到了两种不同配筋条件下坝体的拉应力损伤因子分布及坝顶动位移响应。结果表明,两种模型计算结果比较接近,配筋抗震措施能够明显地减小坝体损伤区的范围,整体式钢筋混凝土动力本构模型在满足计算精度的前提下可提高计算效率、简化模拟计算。     

物质点法在椭圆骨料混凝土损伤模拟中的应用

为研究混凝土结构的宏观力学响应及损伤行为,应用物质点法这一新型数值方法对椭圆骨料混凝土进行数值模拟研究。基于蒙特卡罗模拟方法,考虑混凝土的细观结构,提出了一种构建随机椭圆骨料混凝土细观几何模型的方法。在该几何模型的基础上,进一步提出一种快速建立混凝土细观物质点模型的方法。分别以弹塑性损伤本构模型和弹性本构模型模拟砂浆和骨料的力学行为,采用开发的物质点法程序对混凝土数值模型进行了单轴拉伸及单轴压缩数值试验。结果表明,物质点法模拟所得的结果与设计规范及有限元结果相近。可见,物质点法为混凝土结构损伤行为的数值模拟提供了一条可行的途径。     

Application of thermodynamics-based rate-dependent constitutive models of concrete in the seismic analysis of concrete dams

This paper discusses the seismic analysis of concrete dams with consideration of material nonlinearity. Based on a consistent rate-dependent model and two thermodynamics-based models, two thermodynamics-based rate-dependent constitutive models were developed with consideration of the influence of the strain rate. They can describe the dynamic behavior of concrete and be applied to nonlinear seismic analysis of concrete dams taking into account the rate sensitivity of concrete. With the two models, a nonlinear analysis of the seismic response of the Koyna Gravity Dam and the Dagangshan Arch Dam was conducted. The results were compared with those of a linear elastic model and two rate-independent thermodynamics-based constitutive models, and the influences of constitutive models and strain rate on the seismic response of concrete dams were discussed. It can be concluded from the analysis that, during seismic response, the tensile stress is the control stress in the design and seismic safety evaluation of concrete dams. In different models, the plastic strain and plastic strain rate of concrete dams show a similar distribution. When the influence of the strain rate is considered, the maximum plastic strain and plastic strain rate decrease.     

混凝土本构模型的选用对RC柱非线性分析的影响

混凝土本构关系是混凝土结构研究的基础。分析不同的混凝土本构模型对RC柱非线性分析的影响,通过选用不同的本构模型对RC柱所得理论分析结果与相应试验值的比较,表明选用不同的混凝土本构模型对RC柱非线性分析有显著的影响。     

单轴状态下混凝土的动力损伤本构模型

本文根据现有的混凝土静力损伤本构模型，结合混凝土在快速变形下的性能试验成果，提出一定的假定，推得混凝土的动力伤本构方程，经与单位和单压状态下的试验成果对比证实，本文提出的理论模型能够较好地描述真实变形过程。     

两种非线性模型下重力坝强震破坏机理研究

以某重力坝为例，在已有研究的基础上，分别采用塑性损伤模型和动接触力模型，对混凝土重力坝进行非线性动力分析，研究讨论了坝体头部强震破坏进程、破坏机理以及在贯通前后上下游节点对位移差变化情况，并基于两种模型的本构关系，对比分析了两种模型下重力坝强震损伤破坏演化过程的差异及其对重力坝极限抗震能力的影响。研究结果表明，采用塑性损伤模型计算的混凝土坝坝体头部折坡处的开裂要早于接触模型，但是开裂进程比接触模型慢；若以坝体头部开裂贯通为依据，损伤模型和接触模型的极限抗震能力相差不大，接触模型略低；对头部存在明确层面、不需要考虑网格细化问题等的碾压混凝土坝可采用接触模型，对于不存在明确层面的情况，建议采用损伤模型。     

混凝土静,动力双剪损伤本构理论

本文根据双剪应变理论，利用单轴拉伸和单轴压缩状态下混凝土的损伤应变阈值，建立起混凝土的初始损伤面和多轴应力状态下混凝土的损伤演化方程，并推出了多轴状态下混凝土的损伤本构方程。文中还利用单轴状态下动力损伤与静力损伤之间的关系，类推出多轴状态下动力损伤与静力损伤之间的关系，从而建立起混凝土在多轴状态下的动力损伤本构模型。