您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 项目/工程管理 > 混凝土动态本构模型综述
第48卷第10期2015年10月天津大学学报(自然科学与工程技术版)JournalofTianjinUniversity(ScienceandTechnology)Vol.48No.10Oct.2015收稿日期:2014-12-31;修回日期:2015-04-15.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51238007,51227006).作者简介:李忠献(1961—),男,博士,长江学者特聘教授.通讯作者:李忠献,zxli@tju.edu.cn.【主编特邀】——建筑结构抗爆分析与设计专家点评:近几十年来,世界范围内恐怖爆炸事件频繁发生,恐怖分子经常针对重要建筑实施汽车炸弹、背包炸弹等人为爆炸袭击.我国经济繁荣、社会稳定,但由于世界形势复杂多变,故面临着潜在的恐怖爆炸袭击威胁.恐怖爆炸事件一旦发生,不仅会造成爆源附近的人员伤亡,还会导致爆源附近的建筑发生局部破坏甚至连续倒塌,加剧人员伤亡和财产损失的灾害程度,甚至引发社会恐慌.自2001年美国“911”事件以来,世界范围内众多学者对爆炸荷载作用下建筑结构的破坏及连续倒塌展开了系统的研究,并取得了丰硕的成果,极大地促进了建筑结构抗爆研究的发展.然而由于爆炸荷载具有超压峰值高、持续时间短等特点,爆炸事故又常常伴随火灾等次生灾害等原因,与风荷载、地震作用相比,爆炸荷载作用下建筑结构的破坏与倒塌分析更为复杂.由于惯性力效应的存在,且缺少合理的测试手段,爆炸荷载作用下混凝土等常用建筑材料的应变率效应及动态力学模型尚不完善,严重阻碍了建筑结构抗爆分析及设计理论与技术的发展;同时,爆炸荷载作用下建筑结构的破坏与倒塌分析,涉及裂缝开展、大变形、碎片飞散、构件碰撞等材料非线性与几何非线性两类问题,求解复杂、计算耗时,相关理论及其应用研究的开展更为困难.因此,亟需在上述领域开展进一步研究,以期完善和发展建筑结构抗爆分析与设计理论,为我国制订建筑抗爆设计规范提供重要依据.本期选登的几篇文章内容涉及混凝土的动态本构模型、爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁等结构构件和玻璃等非结构构件的损伤破坏分析以及建筑结构的连续倒塌分析与防护等方面,属于建筑结构抗爆分析与设计的重点研究领域,希望能为读者提供一定的参考.天津大学李忠献DOI:10.11784/tdxbz201412081混凝土动态本构模型综述李忠献,刘泽锋(天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津300072)摘要:混凝土是使用最广泛的建筑材料之一,掌握其动态力学性能对研究混凝土结构在冲击荷载作用下的动态行为十分重要.回顾了近几十年来提出的混凝土动态本构模型,对其理论基础和适用范围做了系统的介绍.关键词:混凝土;动态特性;本构模型;应变率中图分类号:TU501文献标志码:A文章编号:0493-2137(2015)10-0853-11ReviewofConcreteDynamicConstitutiveModelLiZhongxian,LiuZefeng(KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafetyofMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Concretematerialisoneofthemostwidelyusedbuildingmaterials.Itissignificanttounderstanditsdy-namicmechanicalpropertytostudythedynamicbehaviorofconcretestructureunderimpactload.Thispaperreviewstheconcretedynamicconstitutivemodelsproposedinrecentyearsanddiscussesitstheoreticalbasisandapplicationrange.Keywords:concrete;dynamicproperty;constitutivemodel;strainrate·854·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第48卷第10期混凝土是使用最广泛的工程材料之一.混凝土结构在工作过程中除了承受正常的设计载荷外,有时还要承受爆炸、冲击和撞击等动态载荷.在动态荷载作用下混凝土材料表现出不同于静态荷载作用的力学性能.快速变化的荷载使混凝土处于高应变率状态.在动态荷载下,混凝土可能处于复杂的应力状态,如双向受力、三向受力.在冲击荷载直接施加位置,混凝土还可能承受非常大的静水压力作用.混凝土作为一种非均质、各向异性的多相复合材料,内部存在大量的微裂缝和微空洞等初始缺陷.这些微裂缝和微孔洞在混凝土承载过程中的形成、发展、聚集,以及宏观裂缝的形成导致混凝土具有非常复杂的非线性行为.在动载作用下混凝土孔隙水的黏性效应[1]和微观惯性效应[2-4]使微裂缝和微孔洞的演化更加复杂,使混凝土宏观上表现出应变率相关特性,混凝土的强度、刚度、延性和应力应变关系等力学特性发生很大变化.混凝土材料动态本构模型是研究混凝土结构在动力作用下力学行为的理论基础.混凝土动态本构模型的研究可以分为以下几种方法:①根据试验结果统计回归,建立唯象模型;②根据混凝土材料微观结构进行理论推导;③在已有理论基础上引入动态修正项,如DIF系数或黏性项;④结合热力学定律建立满足热力学定律的理论模型;⑤以上各方法的结合.下面对混凝土动态本构模型做一些分类介绍.1混凝土动态本构模型介绍1.1弹性模型弹性模型分为线弹性模型和非线弹性模型两类.线弹性模型是最简单、最基本的材料本构模型.该模型认为材料变形在加载和卸载时沿同一条直线,完全卸载后无残余变形.根据是否考虑混凝土各向异性,分为各向异性线弹性模型和各向同性线弹性模型.非线弹性本构模型属于经验型模型,适用于单调加载和比例加载.非线弹性本构模型有两种基本形式:①全量式应力应变形式,采用不断变化的割线模量,如超弹性模型;②增量式应力应变形式,采用不断变化的切线模量,如次弹性模型.许多学者依据混凝土动态试验结果,对混凝土非线弹性模型中的关键参数如峰值应力、峰值应变、初始弹性模量、极限应力和极限应变等进行修改,提出率相关非线弹性模型.如Mander等[5]分别引入混凝土抗压强度、弹性模量和峰值应变的动态增大系数,提出了混凝土在单调和循环荷载作用下的本构模型.Tedesco等[6]在ADINA原有的混凝土率无关本构模型基础上,考虑应变率对峰值压应力、峰值拉应力、峰值压应变、极限压应变的影响,提出了率相关本构模型.Shkolnik[7]应用热波动理论、损伤理论和混凝土的非线性行为推导了应变率对混凝土单轴应力应变关系、强度和弹性模量的影响,得到了与试验数据符合良好的结果.非线弹性模型计算简单,对混凝土在单轴、双轴和3轴比例加载条件下的性质,甚至对于平面应力条件下循环加载的性质都能很好地描述.但对复杂的非比例加载条件,如冲击和爆炸荷载,非线弹性模型不能给出较好的模拟结果.例如,它不能考虑混凝土的非弹性变形、裂缝的开展、损伤演化和各向异性等问题.对于复杂的加载条件,需要用到更加复杂全面的力学模型.1.2塑性模型塑性理论最初用来描述金属类材料的性质,把塑性应变定义为由材料结构中的晶格位错引起的不可恢复应变.对于混凝土类脆性材料,则将塑性应变定义为材料内微裂缝的扩展引起的不可恢复应变.混凝土的塑性模型通常包括初始屈服面、破坏面、强化法则、加卸载准则和流动法则.历史上提出了众多混凝土破坏面模型,如Rankine破坏面、Tresca破坏面、vonMises破坏面、Mohr-Coulomb破坏面、Drucker-Prager破坏面、Willam-Warnke三参数模型、Ottosen四参数模型和Willam-Warnke五参数模型等.考虑应变率效应的一个简单方法是对混凝土破坏面进行等比例缩放.由于试验条件限制,混凝土的应变率试验多为单轴拉压动态试验.因此假定混凝土多轴破坏面的动态特性与单轴破坏相似,将混凝土破坏面按单轴强度动态增大系数进行扩大.塑性理论具有相当大的灵活性,可以采用不同的破坏面来考虑不同加载条件下的混凝土破坏行为,如低静水压力下拉伸破坏、中等静水压力下弹塑性行为和高静水压力下的近似理想弹塑性行为.对于单轴拉压、双轴拉压和3轴不同比例加载等应力路径都能通过设计相应的π平面形状得到很好的模拟.通过控制屈服面的扩张和收缩可以模拟混凝土的应变强化和应变软化特性,因此塑性理论在混凝土的模拟中得到了广泛的应用.另外一些其他类型的理论,如损伤理论和黏塑性理论,通常以塑性理论为基础并加以扩展以适应更复杂的情况.2015年10月李忠献等:混凝土动态本构模型综述·855·1.3损伤理论一般把材料微观结构水平上的缺陷,如微空洞和微裂缝,称为损伤.损伤理论最早由Kachanov学者在20世纪50年代提出.20世纪70年代,Dougill学者将损伤理论应用于混凝土的非线性研究.至今,文献中已存在大量的混凝土损伤理论模型,其中既有简单的各向同性模型,也有复杂的各向异性模型[8-9].损伤理论用一个或多个内变量描述材料的物理状态,这些内变量与材料的微观结构有关.根据采用的模型的不同(各向同性模型或各向异性模型),内变量可以是标量、向量或张量.动态损伤模型考虑动力加载下混凝土的损伤动态演化过程.高应变率下,由于黏性效应和惯性效应,混凝土的微裂缝不再沿薄弱面发展,而是寻找最短路径发展,甚至穿过粗骨料.静态加载下,混凝土的破坏特征为出现几条主裂缝,最终破坏成较大的碎块.而动态加载下,混凝土的破坏特征为形成众多细小裂缝,成粉末状破坏.Suaris等[10-11]从动力平衡方程和热力学第二定律出发,研究了应变率效应对微裂纹发展的影响,提出了动态损伤本构模型,并与混凝土单轴拉伸和压缩试验数据对比,获得了良好效果.Li等[12]认为混凝土损伤变量是应变的函数,假定混凝土动态应力应变曲线和静态应力应变曲线之间满足几何相似性,引入混凝土应力动态放大系数和应变动态放大系数,提出混凝土单轴拉伸动态损伤模型.Zheng等[13]在Curbach单轴受压损伤本构模型中考虑应变率对损伤演化的滞后效应,在损伤变量中叠加一个时间相关项,提出了动态损伤本构模型.Chen等[14]在直拉试验和四点弯曲试验基础上,通过考虑损伤阈值以及相关参数的率相关性,提出单轴动态损伤模型.陈江瑛等[15]借用热激活理论来解释混凝土材料的动力损伤演化规律,并基于此得到率型损伤演化表达式.1.4塑性损伤理论由于弹性损伤理论不能考虑混凝土材料的不可恢复应变,许多学者将塑性理论和损伤理论结合起来,提出塑性损伤理论.对于混凝土动态特性的处理,考虑混凝土破坏面的扩展或损伤演化的动态特性或二者的结合.Eibl等[3]提出了一个塑性损伤模型,认为混凝土损伤是由微观裂缝发展累积引起,微观裂缝分布满足Weibull概率分布,通过引入微观裂缝的惯性效应使混凝土宏观上表现出损伤演化的率相关性,并将其扩展到三维本构.Taylor等[16]在Kipp-Grady模型[17]基础上,结合Budiansky和O’Connell给出的含裂纹体的等效体积模量和裂纹密度的表达式及Grady给出的碎块尺寸表达式推导得出了损伤演化方程,并将损伤因子加入到理想弹塑性本构关系中,提出TCK模型.Huang等[18]提出修正的TCK连续损伤模型,采用Mohr-Columb模型考虑混凝土的压缩破坏,并考虑了应变率对破坏面的增大效应,模拟了钢筋混凝土靶板侵彻过程中成坑尺寸和炮弹的剩余速度,得到了与试验数据相符合的结果.Silling[19]采用分段Mohr-Coulomb破坏准则,考虑拉伸、剪切和压缩3种损伤变量,并考虑应变率对损伤演化的影响,提出脆性失效动力模型.Burlion等[20]提出Mazars拉伸弹性损伤模型和Gurson塑性压缩损伤模型相结合的混凝土动态塑性损伤模型.刘海峰等[21-22]以修正Ottosen四参数破坏准则为屈服法则,从细观角度来引入损伤,并考虑了高应
本文标题:混凝土动态本构模型综述
链接地址:https://www.777doc.com/doc-3125782 .html