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。     

混凝土应变率型弹塑性损伤本构模型

针对混凝土在不同应变率加载作用下的变形和强度特征,在现有试验数据研究基础上,首先提出了基于热力学定律的一般弹塑性损伤模型,再将应变率敏感性参数引入其中,推导出了应变率型弹塑性损伤本构模型.模型计算结果与试验结果比较表明,所建立的本构模型可以很好地描述混凝土在不同加载速率时的力学特征.应用该模型可预测大范围应变加载情况下混凝土破坏强度.结果表明：应变率对混凝土力学性能影响较大.     

基于ABAQUS程序的结构静力和动力弹塑性分析

在ABAQUS有限元分析软件的基础上,开发了针对钢筋混凝土杆系结构弹塑性分析的混凝土材料子程序。在程序中,建立了基于应力-应变关系层面的材料非线性本构关系及滞回模型。通过分析钢筋混凝土杆件在不同受力和边界情况下的静力和动力往复性能,说明该本构模型能准确模拟杆件的性能。为了验证该程序分析结构的能力,建立了一个高层框架结构,进行了静力推覆和动力弹塑性时程分析,对结构的弹塑性有较准确的模拟,结果能够反应结构在地震时的性能,说明本程序具有良好的分析性能,可以进行钢筋混凝土高层结构的静力和动力弹塑性分析。     

基于纤维梁元模型的钢筋混凝土框架结构弹塑性时程分析

弹塑性时程分析方法可以同时考虑地震动的三要素(振幅、频谱和持时)和结构的动力弹塑性特性,对建筑结构在多遇、设防和罕遇地震作用下的抗震性能合理评估和非线性发展过程、破坏机理正确分析具有重要意义。反复荷载作用下混凝土、钢筋的本构模型的计算精度和适用性对基于材料模型的整体结构弹塑性时程分析结果的可靠性有着重要影响。但是由于混凝土材料的复杂性,目前还没有统一的本构模型可用于分析复杂应力条件下混凝土的非线性力学行为。建立了一个实用的混凝土和钢筋单轴滞回本构模型,编制了相应程序并利用用户材料子程序接口接入到ABAQUS软件中,基于纤维梁元模型,采用显式时间积分方法,对一个12层钢筋混凝土框架模型结构振动台试验进行了弹塑性时程分析。计算分析与试验数据的比较表明该模型具有较高的计算精度、效率及较好的适用性,适合作为纤维梁元模型中的混凝土、钢筋材料模型用于建筑结构的弹塑性时程分析当中。     

基于纤维模型法圆中空夹层钢管混凝土轴压柱的理论研究

针对圆中空夹层钢管混凝土轴心受压柱的力学性能,基于纤维模型法,钢管材料的本构关系依次选用5阶段模型、理想弹塑性模型两种,混凝土材料的本构关系依次选用韩林海模型、刘威模型两种,共4种不同的本构关系模型组合;对单调加载过程中圆中空夹层钢管混凝土轴压构件的荷载-变形关系进行计算,与试验结果进行对比分析。结果表明:计算出的荷载-变形关系曲线与试验曲线吻合良好;对钢管本构关系,采用5阶段模型、理想弹塑性模型分别进行纤维模型法计算,二者计算结果基本一致;对混凝土本构关系,采用韩林海模型、刘威模型分别进行纤维模型法计算,前者计算结果吻合更好。     

混凝土损伤本构模型研究评述

现有混凝土本构关系主要是基于成熟的经典弹塑性模型所建立的,弹塑性模型在数学上较严格,但是与混凝土材料破坏机理不协调,各国学者针对混凝土这类特殊多相复合材料提出了很多基于不可逆热力学理论的损伤本构模型。系统综述了混凝土损伤本构研究的成果,在分析了各个有代表意义的混凝土损伤本构模型基础之上,对比研究了各个模型的特点及各自适用范围,通过总结前人成果,为损伤本构模型研究提供了思路。     

非均质混凝土破坏过程的细观数值试验

结合细观单元的弹塑性各向异性损伤本构模型,建立了研究非均质混凝土破坏过程及其非线性力学行为的细观数值试验模型。该模型基于混凝土材料细观层次的结构特征,采用Weibull随机分布函数引入材料的非均匀性;同时,为反映加载边界条件如端部约束等的影响,采用Bathe提出的接触问题约束函数法处理不同物体之间的相互作用。运用该模型,对压缩和拉伸加载方式下混凝土的渐进性破坏过程进行了系统性的数值试验,其结果与他人的研究结果基本一致,从而验证了该模型的合理性。该模型为从细观层次研究复杂加载方式下混凝土的渐进破坏过程,进一步揭示混凝土的破坏机理及其非线性力学行为本质提供了一种新的数值试验手段。     

基于能量耗散原理的混凝土力学损伤模型

从材料变形破坏过程中能量耗散特征入手,视混凝土材料为仅有损伤耗能的脆弹性部分和仅有塑性流动耗能的理想弹塑性部分共同组成,基于复合体损伤理论建立了混凝土力学损伤本构模型。对于脆弹性部分,分别采用张拉损伤和压剪损伤两个损伤变量描述不同应力作用下损伤行为,并通过受荷变形过程中的能量守恒原理推导相应的损伤演化方程;对于理想弹塑性部分则采用Mohr-Coulomb条件加以描述;利用FLAC3D软件开发相应的模型计算程序,算例计算结果表明,模型能够较好反映混凝土的力学特性。     

修正的钢筋混凝土等效材料塑性损伤本构模型及其在抗震分析中的应用

利用刚度等效原则将钢筋弥散于整个混凝土中,将钢筋混凝土视为连续均质的材料,借助ABAQUS软件自带的混凝土损伤本构模型,对应用于高层建筑工程中的高强钢筋混凝土材料的本构关系进行分段线性简化,实现了采用等效材料本构模型模拟钢筋混凝土。采用等效材料本构模型对既有文献中已进行试验的钢筋混凝土剪力墙进行数值模拟,所获得的荷载-位移曲线与试验得到的曲线一致性较好,说明了等效材料本构模型的有效性。最后基于该本构模型,利用ABAQUS软件对一个超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,模拟结果能较为合理地反映高层建筑在地震作用下的力学响应,说明可以利用该本构模型指导工程实践。     

再生混凝土的冲击力学特性及本构模型研究

为了解再生混凝土的冲击力学性能,以粗骨料全取代下的再生混凝土试样为材料,利用霍普金森压杆对其进行不同冲击气压下的动态单轴压缩试验,对其动力学特性进行分析,结果表明：冲击荷载下,再生混凝土的应力-应变曲线分为3个阶段,即线弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段;当应变率小于60 s-1时,再生混凝土的应力-应变曲线存在明显的回弹现象;再生混凝土的动力学参数存在明显的应变率增强效应,其中动态峰值应力与应变率呈线性关系,动态弹性模量与应变率呈指数关系,动态应力增长因子与应变率的自然对数呈指数关系;建立的基于界面脱黏损伤的再生混凝土动态本构模型与试验曲线吻合度良好,该模型可以表征再生混凝土在冲击荷载下的本构曲线特征。为再生混凝土冲击力学性能、动力参数及本构关系的研究提供指导和依据。     

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。     

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上，通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性一损伤阻尼应力，建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型；给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法，并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明：建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为，并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响，同时其数值算法是稳定有效的，可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。     

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。     

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.     

混凝土材料的三维弹塑性本构模型

广义非线性强度理论将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数。将广义非线性强度理论作为屈服函数,以塑性剪应变作为硬化参数,将塑性剪应变与剪应力之间建立分段函数关系,采用非关联流动法则,建立混凝土材料的三维弹塑性本构模型。本构模型中各参数意义明确,通过材料试验结果对本构模型的验证表明,所建立的三维弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,进一步可用该材料模型对混凝土结构进行多维非线性受力分析,为结构设计和分析提供依据。     

火灾下钢筋混凝土结构热弹塑性变形分析

为了研究钢筋混凝土结构在火灾作用下的力学性能,利用弹塑性理论,根据材料不同的屈服法则,分别给出了钢筋和混凝土材料考虑温度变形和徐变变形热弹塑性问题的增量本构方程。考虑钢筋和混凝土力学性能随温度的变化,编制程序对钢筋混凝土简支板进行了非线性分析,并利用相关文献的试验结果,对本构方程的正确性和适用性进行了验证。对火灾作用下1榀单层单跨钢筋混凝土框架进行了非线性分析,并给出了部分节点位移随受火时间的变化规律。结果表明,钢筋混凝土结构在高温下会产生很大变形,钢筋混凝土框架梁柱节点位移随受火时间变化的曲线并不是呈单调变化趋势,有拐点存在,梁柱节点竖向位移值小于梁跨中节点值。     

混凝土多轴非线性本构模型的研究

通过大量试验,测得了混凝土在单轴应力状态及在5种不同应力比下的双轴应力状态的应力-应变关系.论述了Jones-Nelson-Morgan模型的构成原理及其参数的确定方法,首次将这个模型,用于混凝土材料的本构关系分析,结合混凝土的单轴试验结果,建立了混凝土的非线性本构模型,该模型的特点是材料的力学性能只为应变能的函数,使材料模型可以方便地应用于复杂应力状态.利用广义虎克定律,将模型推广应用于混凝土双轴应力状态的本构关系分析,获得了与试验结果符合较好的理论模型.     

砂土的双硬化特性与弹塑性本构模型

 基于高精度的丰浦砂三轴等向加卸载试验与多应力路径平面应变压缩试验结果,提出平面应变条件下的修正塑性功体积硬化函数,得到双硬化框架下的修正塑性功剪切硬化函数,建立应力路径不相关的丰浦砂修正塑性功剪切–体积双硬化函数。在该双硬化函数基础上,推导基于修正塑性功的增量型剪切–体积双硬化弹塑性刚度矩阵,构建可以考虑多种变形强度影响因素的丰浦砂本构模型。数值计算与室内试验结果的比较表明,该砂土双硬化弹塑性本构模型可以合理地模拟砂土材料的变形强度特性。     

两种混凝土本构模型的计算与分析

分别基于经典弹塑性理论和界面理论建立混凝土的本构模型,此两种模型都能保证在单调加载条件下应力-应变曲线是光滑的,在峰值点处严格遵守强度准则的要求,在下降段有稳定的变化趋势。能够描述从柔性到脆性的破坏过程中,体积压缩与膨胀的特性,与试验数据相比较,模拟的结果令人满意。并且通过对两种模型的模拟计算分析,提出了边界面模型与经典塑性力学模型的区别。     

高层钢管混凝土框架-RC核心筒结构的弹塑性时程分析

基于合理的材料弹塑性(损伤)本构关系模型,建立了某30层钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构振动台试验的有限元分析模型,考虑了结构的几何非线性和材料非线性,包括钢材和混凝土材料的塑性损伤演化。有限元分析结果与试验结果基本吻合。在此基础上,进行了不同地震波强度作用下的弹塑性时程分析,获得了核心筒和楼板的损伤演化过程、框架应力和损伤发展过程、基底剪力时程曲线、楼层位移角包络曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律。结果表明,有限元法能够较为清晰地揭示这类结构体系在地震作用下的弹塑性工作状态,可为同类研究提供参考。