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1、第二部分：材料本构模型,西南交通大学土木学院 刘艳辉,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,教 学 计 划,经验物理模型,理论物理模型,混凝土的本构模型,上 节 内 容 提 要,对试验物理现象的观察与分析,对试验物理现象的简单模拟,试图对试验现象的物理本质进行概括与总结,单轴受力本构关系,线弹性本构模型 非线性弹性本构模型 经典塑性力学模型 损伤力学模型,Southwest Jiaotong U
2、niversity Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,混凝土单轴强度本构关系受压Sargin模型、Hogenestad模型、过镇海模型,上 节 内 容 提 要,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,上 节 内 容 提 要,上 节 内 容 提 要,Sou
3、thwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,混凝土单轴强度本构关系受拉美国Gopalartnam和Shah模型、中国混凝土规范模型,上 节 内 容 提 要,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,上 节 内 容
4、 提 要,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,上 节 内 容 提 要,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,混凝土多轴强度本构关系 线性弹性本构模型：应力与应变符合线性比例关系，加载和卸载都沿同
5、一直线变化，卸载后材料无残余变形。原则上讲不宜用此类本构模型。 非线性弹性本构模型：材料的应力和应变不成线性正比，但有一一对应的关系。适用于单调比例加载的情况，原则上不适于循环加载条件下的结构非线性行为分析。 Ottosen本构模型 ：全量形式的模型，对按比例一次加载的条件是合适的，它与加载路径无关。在逐级加载以及非比例加载的情况下不合适。 Darwin-Pecknold本构模型：增量式,上 节 内 容 提 要,材料的本构关系分为三个阶段： （1）当材料的应力水平未达到初始屈服条件时，材料的本构关系表现为弹性关系； （2）当应力水平超过初始屈服条件而未达到强度破坏条件时，材料的本构关系变现为弹
6、塑性关系； （3）当应力水平超过破坏条件时，材料部分或全部退出工作。,弹塑性本构模型,上 节 内 容 提 要,混凝土材料与软钢等弹塑性材料，在力学性能和本构关系方面有重大区别。为此，许多学者作了很大努力，将弹塑性理论移植至混凝土后加以改造，使之适合混凝土材料的基本特性。这类弹塑性本构模型，能适用于卸载和再加载、非比例加载等多种情况。但仍存在一些重要的不足：形式复杂但仍不能反映混凝土变形的全部复杂特性；极难有效描述混凝土应变值随应力途径而变的性质；模型函数所包含的参数的试验数据不全、难以准确标定等。,上 节 内 容 提 要,一些近期发展起来的新兴力学分支，几乎无一遗漏地被移植至混凝土结构的分析。
7、为此建立了各种混凝土材料的本构模型，其主要有：基于粘弹性粘塑性理论的模型，基于断裂力学的模型，以及基于损伤力学的模型。还有些本构模型则是上述一些理论的不同组合。这类本构模型一般都是利用原理论的概念、原理和方法，对混凝土的基本性能作出简化假设，推导相应的计算式，其中所需参数由少量试验结果加以标定或直接给出。这类模型至今仍处于发展阶段，离工程实际应用有一定的距离。,本构模型的类别和适用范围,损伤力学模型,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwes
8、t Jiaotong University,今天的讲课内容,应变率对混凝土本构模型的影响,混凝土动态本构,有限元方法和计算机技术的发展为混凝土结构和构件的非线性分析创建了便利条件。 计算结果的可靠性和准确度主要取决于所采用的钢筋混凝土各项非线性本构关系是否准确、合理。因此，建立或选择本构关系是结构非线性分析的关键问题，成为近20年混凝土结构的一个重要研究方向。 确定了合适的本构关系、进行非线性的全过程分析，有可能改变目前的钢筋混凝土结构的内力弹性分析和截面承载力经验性计算等不尽理想的景况，走向更完善、准确的理论解方向。,本构关系可建立在结构的不同层次和分析尺度上 最基本的是材料的应力-应变关系
9、，由此决定或推导其他各种本构关系。,Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University Southwest Jiaotong University,应变率对混凝土本构模型的影响,材料本构关系一般是以标准条件下，即常温下短时一次加载试验的测定值为基础确定的。 当结构的环境和受力条件有变化时，如反复加卸载、动载、荷载长期作用或高速冲击作用、高温或低温状况、等，混凝土的性能和本构关系随之有不同程度的变化、必须进行相应修正，甚至重新建立专门的本构关系。,应变率对混凝土本构模型
10、的影响,图11给出了在不同载荷形式（蠕变、准静态、动态和冲击载荷等）作用下材料应变率响应的大致范围。,图1 不同载荷形式下材料应变率响应图示,1 Lindholm U S. Techniques in Metals Research. Ed. Bunshan R T, New York Interscience: 1971, 5(part1),应变率对混凝土本构模型的影响,一般来说，随着应变率的提高混凝土材料的抗拉强度和抗压强度都会有明显的增强，并且在同一应变率量级变化范围内抗拉强度的相对增强效果比抗压强度的相对增强效果更显著一些，如图2和图3比较所示。,应变率是表征材料变形速度的一种度量，应
11、变对时间的导数。,应变率对混凝土本构模型的影响,图2相对抗压强度随应变率的变化,应变率,应变率对混凝土本构模型的影响,图3相对抗拉强度随应变率的变化,应变率,应变率对混凝土本构模型的影响,图3相对抗拉强度随应变率的变化,图2相对抗压强度随应变率的变化,应变率,应变率,应变率对混凝土本构模型的影响,混凝土材料在动态、冲击载荷作用下本构模型的建立是一件非常复杂的工作，相关的研究报道也很多很杂。 对应于不同的加载方式或载荷形式，混凝土材料表现出不同的力学响应特性，因而要建立一个普遍接受、兼容并包的本构模型是相当困难，也是不太现实的。,混凝土动态本构模型,基于准静态本构模型的修正 动态、冲击载荷作用下
12、，影响混凝土材料力学特性的因素很多，主要有材料的应变率敏感效应和静水压力相关性，这两个影响因素相互耦合很难在实验中完全分离。其中混凝土材料应变率敏感效应的研究一直都得到了研究者们的重视和关注，也取得了很大的成果2,3,4 。由此，我们可以通过对一些已有混凝土材料准静态本构模型进行修正来描述其动态力学特性，并将计算结果与实验结果进行比较后确定一个较好的混凝土材料动态本构模型。,混凝土动态本构模型,基于对混凝土材料动态力学特性和本构关系的研究分析，将其本构模型大体分为六个类别：,从宏观上考虑，通常是将准静态本构关系作一个关于应变率的修正，这主要有二种做法：其中一种做法，是把应变率考虑在应力-应变关
13、系式内5，6。另一种简单一点的做法，是把应变率考虑在屈服条件之内7，8，9，10，11。,混凝土动态本构模型,基于粘弹性理论的本构模型12，13，14基于粘弹性理论建立的动态本构模型中，最典型的有ZWT模型。ZWT模型是朱兆祥、王礼立和唐志平等人在研究环氧树脂的一维应力动态力学行为时，提出的具有两个松弛时间，而材料的非线性仅与非线性弹性相关的非线性粘弹性本构模型。,混凝土动态本构模型,基于粘塑性理论的本构模型 类同于小变形弹塑性理论，在粘塑性理论中引入应变率分解（strain rate partition）假设，即材料的总应变率可分解为弹性应变率和粘塑性应变率两部分15，16，17，18，19
14、，20，21 。,混凝土动态本构模型,基于损伤理论的本构模型22，23，24动态、冲击载荷下，混凝土材料的损伤及其演化是相当复杂的，这不仅包括了由微损伤缺陷萌生、扩展和汇合引起的水泥砂浆基体和增强颗粒之间界面的开裂以及水泥砂浆基体的破碎，还包括了无可预测的增强颗粒的破裂。为了描述不同载荷形式下混凝土材料的损伤特性，人们发展了各式各样的损伤型本构模型。 宏观唯象型模型，其基于假设，即混凝土材料及其初始损伤是各向同性的，而且损伤演化也是各向同性。 但实际情况中，规则微裂纹的损伤演化发展会诱导材料的各向异性。 细观统计型模型，其认为，随机裂纹的演化发展不会诱导材料的各向异性。,混凝土动态本构模型,基
15、于塑性与损伤耦合的本构模型25，26，27，28混凝土材料非弹性应变是由材料内部微裂纹和微空洞等缺陷的演化发展而引起的。内部拉伸应力作用下，混凝土材料表现出一种脆性特性，其损伤演化标志就是微裂纹的开裂发展。随着微裂纹的扩展，混凝土材料强度和刚度逐渐损伤弱化，并表现为一种各向异性响应，同时伴随有裂纹之间的摩擦和滑移效应。压缩载荷作用下，混凝土材料又表现出一种延性特性，其损伤演化标志就是微空洞的塌陷。随着微空洞的塌陷，混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形，同时体积模量也相应有所增加。由此，一个令人信赖的、成功的混凝土材料本构模型应该能解释这些力学响应，如微裂纹损伤演化引起的弹性模量的弱化、微空洞
16、缺陷塌陷引起的塑性变形和体积模量的增加，以及材料的静水压力相关特性和应变率敏感效应等。,混凝土动态本构模型,基于断裂理论的本构或力学模型动态、冲击载荷作用下，混凝土材料应力强度随应变率的提高而有所提高。然而，伴随着这种应变率强化效应，应力强度后的破坏过程却变得更脆、更不稳定，也显著地区别于应力强度之前的力学响应过程。Rossi认为，裂纹局部化（相应于峰值载荷）之前的力学特性是材料本质固有的特性。因为，此时的裂纹相对试件体积而言是小的，统计意义上均匀的应力和应变关系可以被定义。对各向异性材料而言，这是本构关系存在的先决条件。然而裂纹局部化之后，裂纹相对试件体积很小的假设不再成立，由此统计意义上均匀的应力和应变关系的定义已不再成立，只有整体上的力和位移关系仍然成立。为此，在断裂理论中描述混凝土非线性变形过程常用两种模型：一种是达到应力强度之前材料的应力-应变本构关系；另一种是在达到应力强度之后，断裂区的应力和开裂宽度之间的关系。,
