混凝土损伤理论的分析研究

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1、硕上洛大学结构非署押性分析课程论文UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)题目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理论应用学 院土木工程系 学 号 xxxxxxxx学生姓名xxx指导教师xx日 期 2017。 12。 24上海大学20172018学年冬季学期研究生课程考试小论文课程名称：结构非线性分析 课程编号：18Z147004论文题目：钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理论应用研究生姓名：xxx 学号： xxxxxxxx论文评语：成 绩： 任课教师： xx评阅日期：目录一混凝土损伤理论的研究背景1二国内外对混凝土损伤理论的研究现状21）国外混凝土损伤理论研究现状22

2、）国内混凝土研究现状2三 混凝土损伤理论研究中的问题和研究方法31）试验条件相差较大时混凝土的本构关系将发生变化32）复杂的多轴应力状态下的损伤理论33）试验难度大34）研究方法3四钢筋混凝土非线性损伤理论及有限元法41）混凝土非线性本构模型42）规范中的混凝土损伤理论5 混凝土单轴受压时的本构模型及的选取5 混凝土单轴受拉时的损伤理论62）ABAQUS 算例6 混凝土塑形损伤模型6 数值分析7五研究成果与创新81）当今国际的研究成果82）理论研究的新进展83）在有限元中的应用8六研究混凝土损伤理论的意义和结论91）社会意义92）经济效益93）结论9七展望9八建议10参考文献10混凝土结构有限

3、元分析及其断裂损伤理论应用xxx指导老师xx(上海大学土木工程系上海200072)摘 要：混凝土的损伤理论是研究混凝土材料的一个重要方面。通过对背景，现状和规范的研究找出混凝 土损伤理论的研究方法和现阶段面临的问题。在了解国内外的本构模型、研究现状和研究难点，并重点研 究了混凝土非线性损伤理论之后，总结了当前研究的创新点和现如今所取得的成果，并将得到的成果运用在 有限元方法和实际工程中。最后给出了对本门课程的建议和意见.关 键 词:损伤理论；本构模型；规范Analysis of constitutive relation of concrete structureXx xxx, xxxxxxx

4、x，Conductor .Xx xxxx(Shanghai University, Department of Civil Engineering Shanghai)Abstract： The damage theory of concrete is one aspect that must be considered when studying concrete material. Through the background and norms to find out the method of dealing with concrete materials and the problem

5、s facing the current stage. After comprehending the constitutive models at home and abroad, research status quo and research difficulties, and focusing on the theory of nonlinear damage of concrete , this paper summarizes the innovations of current research and present achievements, and applies the

6、results obtained in finite Meta method and the actual project Finally, the suggestions and opinions of this course are given。Keywords： Constitutive relation； Constitutive model； Norms一混凝土损伤理论的研究背景混凝土是当代土木工程中应用最广的建筑材料之一。它是以水泥为主要胶结材料，拌合 一定比例的砂、石和水，经过搅拌、注模、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的人工 混合材料.各组成材料的成分、性质和相互比例，以及

7、制备和硬化过程中的各种条件和环境 因素，都对混凝土的力学性能有不同程度的影响。因此，混凝土与金属等均质材料有着截然 不同的内在结构和力学性质.其最大的特点就是其组成是由硬化水泥浆和粗、细骨料等构成 的多相复合结构，这一特点决定了混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性.这种非均质 的多相复合结构使得混凝土在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因，已存在大量的微孔隙 界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的。当混凝土受到外界作用以后，弥散在材料内部 的微裂缝开始逐渐长大，并随着荷载的变化，在部分区域出现贯通,直至形成宏观大裂缝，混 凝土的破坏是结合缝的产生、成核、扩展、分叉、和失稳的过程.混凝土的破坏过

8、程预示其 本构行为将是非常复杂的，如果只单纯用经典弹性力学或塑性力学的处理方法来描述将难以 获得理想结果。本文将探讨了混凝土的断裂损伤理论，并展望了混凝土断裂损伤理论的应用 前景。内外对混凝土损伤理论的研究现状1）国外混凝土损伤理论研究现状在1958年,Kachanov在研究金属的蠕变破坏时，为了反映材料内部的损伤，第一次提出 了 “连续性因子”和“有效应力”的概念。后来，拉博诺夫（Rabotnov）于1963年又引入 了“损伤因子”的概念.这些人的工作都为损伤力学的创立和发展做了开创性的工作.七十年代， 英国学者勒基（Leckie）和瑞典学者赫尔特（Hult）等各国学者相继采用连续介质力学的

9、方 法。把损伤因子作为一种场变量，称为损伤变量，逐渐形成了连续损伤力学的框架和基础。在损伤力学的应用方面，和其他固体力学的分支一样，是在工程实践的推动下发展起来 并逐渐完善的，反过来又在工程实践中如航空航天业、核工业、机械工业、土木工程等领域 得到了广泛的应用。正如损伤力学是伴随着金属蠕变损伤的研究而发展的一样，其中一个重 要应用便是预计蠕变结构的寿命以及蠕变裂纹扩展的速率，以确定存在蠕变的工程材料与结 构物的安全性。目前，损伤力学在混凝土结构中的应用现状也是如此。混凝土作为一种重要的工程材料，其损伤分析引起了国内外学者的广泛关注。最早将损 伤力学概念用于混凝土材料研究的是Dougill。比较

10、早的研究成果如Loland损伤模型、 Mazars损伤模型，这两种模型是以实验所得的应力-应变曲线为基础，采用了应变等价原理建 立了单轴损伤模型，是典型的弹性各向同性损伤模型，损伤变量都是标量.此后，为了体现混凝 土损伤的各向异性，将混凝土看成是各向同性的材料，但是损伤是各向异性的，这种模型以等 价原理为基础.具有代表性的这类模型有Krajcinovic在准静态加载、小变形和等温条件下从 Helmholtz自由能出发导出的损伤演变方程，该模型认为随着损伤的发展，混凝土的塑性变 形往往很小，故将其视为理想脆性材料，并假设损伤演变的速度方向垂直于损伤面；高路彬 等基于Gibbs自由能等价原理导出的

11、各向异性损伤模型.Mazars和Lemaitre将自己建立 的损伤演化方程应用于一侧开口的CT型试件，并用有限元数值模与电测应变片的测量结 果进行了比较，得出有益的结论。Dems和Mroz，以及刘文政等人从能量的角度研究了脆塑 性结构的极限承载力和损伤区扩展的稳定性问题.Noh。sam等人采用了数值方法模拟了预 应力混凝土壳结构的使用，损伤演化及失效的过程.李兆霞分析了各种应变率下脆性固体损伤 的试验现象，从理论上探讨了材料内部损伤的应变率及其对材料变形响应的影响，用宏细观 结合方法建立了考虑损伤的应变率效应的损伤本构模型。2）国内混凝土研究现状八十年代，其中1981年7月欧洲力学协会委托勒梅

12、特在法国的卡尚召开了第一次命 名为“损伤力学”的国际学术讨论会。同年我国的固体力学学报刊登了有关损伤理论的 译文，次年，我国学者在黄山召开了第一次全国损伤力学学术讨论会，这标志着我国损伤力学 研究的起步。余天庆等提出的正交各向异性损伤模型等。杨廷毅等人在混凝土断裂过程研究中还提出了统计概化微裂缝系模型。另外，杨光松等 人曾提出了一种微结构损伤模型。其利用微结构的相对变形来描述材料缺陷损伤的影响，物 理机制比较清楚且其可以将Gprdebois模型、Krajcinovic模型、Kachanov模型等目前几种 主要损伤模型统一起来，具有较强的实用性，曾利用混凝土材料的单向拉压实验数据得到了 验证.李

13、杰等人提出了一类混凝土细观损伤物理模型，用于解释高性能混凝土在本构层次上 的细观损伤演化特征.建立了混凝土单轴受拉、单轴受压与双轴拉压组合条件下的随机损伤 本构关系模型，并通过试验初步证实了采用随机损伤本构关系反映混凝土受力破坏机理的可 行性。河海大学徐道远教授曾结合国家自然科学基金项目将损伤力学应用到了混凝土大坝的 仿真分析中，并取得了较好的成果。西安交通大学刘华等人也作了混凝土结构三维损伤开裂 破坏过程的有限元分析.张强勇等人采用弹塑性损伤模型对某地下厂房进行了损伤计算并与 无损伤弹塑性计算的结果作了比较，两者所得的位移相差高达47%50%.综合世界各国学者的研究成果，就国内损伤力学及其应

14、用研究的状况而言，目前的研究 偏重于理论而且能够应用的成果偏少。另外，由于损伤试验研究的难度较大，有关试验的研 究并不多见，而且仅有的试验也还是仅停留在单个构件的层次上.三 混凝土损伤理论研究中的问题和研究方法1）试验条件相差较大时混凝土的本构关系将发生变化现有的混凝土的强度和应力应变损伤理论大都是基于正常环境下的短期试验结果。由于 混凝土材料并非各向同性材料，内部粗骨料细骨料成分复杂，不同水灰比下的混凝土材料性 质相差较大。若结构混凝土的种类、环境和受力条件等与标准条件相差悬殊，则其强度和本 构关系都将发生不同程度的变化。例如，采用轻混凝土或重混凝土、全级配或大骨料的大体 积混凝土、龄期变化

15、、高温、截面非均匀受力、荷载长期持续作用、快速加载或冲击和在作 用等情况，均应自行试验测定，或参考有关文献做相应的修正。2）复杂的多轴应力状态下的损伤理论3个方向主应力的共同作用，使各方向的正应变和横向变形效应相互约束和牵制，影响 内部微裂缝的出现和发展程度。而且，混凝土多轴抗压强度的成倍增长和多轴拉、压强度的 降低，扩大了混凝土的应力值范围，改变了各部分变形成分的比例，出现了不同的破坏过程 和形态。这些都使得混凝土多轴变形的变化范围大，形式复杂。3）试验难度大目前研究主要偏重于理论而且能够应用的成果偏少。由于损伤试验研究的难度较大有 关试验的研究并不多见，而且仅有的试验也还是仅停留在单个构件的层次上.混凝土多轴试 验方法的不统一和应变量测技术的困难，又加大了应变量测数据的离散度，给研究损伤理论 造成更大困难。4）研究方法损伤力学研究的重点和难点在于怎么用损伤模型来描述含损伤材料的本构方程和损伤 演变方程。目前来说，描述材料的损伤模型可按其特征尺寸和研究方法大致分为微观、细观 和宏观三种。微观损伤模型在原子或分子的尺度上研究材料损伤的物理过程以及物质结构对损伤的 影响，对损伤材料的微观成分（如基体、颗粒、空洞）单独的力学行为以及它们之间的相互作 用进行研究，然后用量子统计力学方法来推测宏观的损伤行为.细观损伤模型略去了损伤的物