混凝土多轴非线性本构模型的研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 4 期 (总 第2 5 8 期 ) Nu mb e r4i n 2 01 1 ( To t a l No 2 5 8) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEOR ETI CAL R ES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 】 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 0 6 混凝土多轴非线性本构模型的研究 姚家伟 , ( 1 大连民族 学院 土水建筑工程学院 ,辽宁 大连 1 1 6 6 0 0 ;2 孙士勇 ,陈浩然 大连理工大学 工业装备结 构分析 圈家重点 实验室 ,辽宁 大连 1 1 6 0
2、 2 4 ) 摘要 : 通过大帚试验 ,测得 了混凝 土在 轴应 力状态及在 5种不 同应力 比下 的双轴应力状态 的应 力一 应变关 系。论述 T J o n e s 。 Ne l _ o 一 M。 g a 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 r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舣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。 关键词 :
3、混凝 土 ;多轴 ;非线性 ;本构模型 ;J o n e s Ne l s o n Mo r g a n模型 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 2 3 0 4 No n l i n e a r c o n s t i t u t i v e mo d e l r e s e a r c h o n c o n c r e t e( mu l t i a x i a 1 ) YAO a we i SUN S h i - y o n g CHEN Ha o- r a n ( 1 S c
4、 h o o l o fCi v i lE n g i n e e r i n g a n dAr c h i t e c t u r e, Da l i a nNa t i o n a l i t i e sUn i v e r s i ty, Da l i a n 1 1 6 6 0 0, Ch i n a; 2 S t a t eKe yL a b o r a t o r y o fS t ru c t u r a l An a l y s i sf o r I nd u s t r i a l Eq u i p me n t , Da l i a nUni v e r s i t yo
5、 f Te c h n o l o g y Da l i a n 1 1 6 0 2 4, Ch i n a) A b s t r a c t : T h e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f c o n c r e t e s u b j e c t e d u n i a x i a l s t r e s s a n d b i a a x i a l s t r e s s wi t h fi v e k i n d s o f d i ff e r e n t s t r e s s r a t i o r e s
6、 p e c t i v e l y wa s a b t a i n e d t h r o u g h l a r g e n u mb e r o f t e s t s i n t hi s pa p e r Th e c o n s t i tut i n g p r i n c i p l e a n d d e t e r mi n i n g m e t h o d for J o n e s 。 Ne l s o n M o r g a n mo d e l wa s s t a t e d I t wa s t h e fir s t t i me t o a p pl y
7、 t h e m o d e l t o t h e a na l y s i s o f c on s t i tut i v e mo d e l r e l a t i o ns hi p f o r c o n c r e t e ma t e r i a 1 Co mb i n i n g t h e u n i a x i a l t e s t r e s u l t s fo r c o nc r e t e , t h e n o n l i n e a r c o n s t i t u t i v e mo d e l fo r c o n c r e t e wa s
8、b u i l t T he c h a r a c t e r i s t i c o f t h e mo d e l i s t h a t t h e me c h a n i c s p r o p e r t y o fma t e r i a l i s o n l y t h e f u n c t i o n o f s t r a i n e n e r g y Du e t o t he me t h o d, t h e mo d e l c a n b e u s e d i n a n a l y s i s o f c o mp l e x s t r e s s
9、 s t a t e e a s i l y Us i n g g e n e r a l d e fi ne d Hu k e l a w , t h e mo d e l c a n b e s p r e a d t o t h e c o n s t i t u t i v e m o d e l a n a l y s i s o f c o n c r e t e u n d e r b i a a xi a l s t r e s s s t a t e T h e t h e o ry mo d e l c o n f o rm S t o t e s t s r e s u
10、l t s we l 1 Ke y w or ds :c o n c r e t e , mu l t i a x i a l ; c o n s t i t u t i v e m o d e l ; J o ne s Ne l s o n M o r g a n c o n s t i t u t i v e mo d e l 0 引言 实际的混凝土结构 中 , 承受单一的单轴应力状态 的构件是 极少的 , 大部分混凝土明显地处 于多轴应力状态。 混凝土材料 的 本构关系是描述其在时 、 空中的内部结 构的力 、 温度 、 变形等之 间的关系和运动规律的数学表达式 , 在常温、 不考虑与时
11、间有 关 的【大 I 素的短期静 力加载的情况下 , 就是应力 与应 变的关系 。 目前关 于混凝土材料 本构关 系的研 究 , 大多局 限于常温 、 静力及单 向应力状态f 】卅, 而对大体积混凝土结构及复杂结构的 非线性分析 中 , 要 建立混凝土 多轴应力状 态的本构关 系 , 但 由 于混凝土多轴试验的难度及混凝土本身离散性较大的特点, 混 凝土多轴试验数据不多, 导致对混凝土多轴本构关系的研究资 料很少。 随着混凝土结构的应用领域不断扩展 , 各种结构的体形 和受力状况更加复杂 , 混凝土结构的受 力性 能变化全过程 只有 通过非线性方法的逐步分析才能获得, 为此要求建立多种准确 、
12、 合理的非线性本构关系, 包括混凝土的多轴应力一 应变关系。 目前 , 混凝土本构关系可分为线 弹性 、 非线性弹性 、 塑性理 论 、 内蕴时间模 型 、 损伤力学模型等多种模型 。 但 由于各研究 者学术观点和研究方法的不同, 其计算结果也不相同, 许多模 型各有利弊和适用范围, 难以求得统一。 至今还没有一种公认 的理论或本构模 型, 可以广泛用于各种条件下 的混凝 土结 构分 析。 弹性模型简单但只适合单调加载; 经典塑性模型数学上较 严格但与混凝土材料破坏机理不协调 , 塑性势函数难确定; 内时 模型摆脱 了屈服面的约束 , 在 实际问题 的计 算中能用一个统一 的公式描述全过程 ,
13、 但 由于表 达式 过多 , 确定参数 又不容易 , 所 以对其推广和应用仍需做许多工作; 损伤模型物理含义清晰, 但 损伤变量的定义与损伤演化方程的确定等都存在着问题, 故也 很难在实 际中应用 。绝大多数模 型包 含了太多的主观成分 。 J o n e s Ne l s o n Mo r g a n模型 7 8 】 , 是复合材料物理非线性应 力一 应变关系的一种描述方法,它通过建立材料力学性能与应变 能密度的关系来建立纤维增强复合材料的物理非线性问题, 该模 型在石基颗粒增强复合材料 的陶瓷材料中得到 了很好的应用 , 并 被成功应用于与脆性基混凝土材料相似的石墨材料 , 建立 了增量
14、表达式和卸载模型 , 取得 了很好的效果 。 J o n e s Ne l s o n Mo r g a n 模型的最大特点是材料 的应力一 应变关系用唯一 的参数 即应变 能密度来表征 , 可实现用简单 的模型对复杂问题进行分析 。 收稿 日期 :2 0 1 0 一 l 1 2 6 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 4 7 9 0 5 9 ) ; 国家建设部科研基金项 目( 2 0 0 7 一 k 2 2 4 ) ; 辽宁省教育厅高等学校科学研 究项 目( 2 0 0 6 0 1 4 4 ) ; 大连 理工大学海岸和近海丁释国家重点 实验室 ( L P 1 0 0 2 )
15、 ; 中央高校基本科研业务 专项 资金资助项 目( DC1 0 0 2 0 1 2 0 ) 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通过大量试验 , 结合已在陶瓷和石墨材料中成功应用的 J o n e s Ne l s o n Mo r g a n模 型 , 建 了混凝土 的非 线性本构模 型 , 同时适用于混凝土的单轴和多轴本构父系的分析: 该模 视混 凝土为各 向同性 的非线弹性材 料 , f * iJ J l t 应 变能 数 , 使混凝土 非线性力学性能 只为应变能 的函数 , 根据 混凝土 的受 力特点 , 采用增加 应力来实现模型 的计算程序 , 建立
16、一种简单实用 的模 型 , 利 用广义虎克定律 , 将模 型推广应用 于混 凝土双轴 蓝力状 态的本构关 系分析 , 经过 试验数据和 汁箅 结果的对 比分 析 , 验 证了模型 的可靠性 。 1试验 设 计 及 数 据 由于整个项目系统性试验的工作量很夫, 需要进行对比分 析 , 所 以, 研究 中均采用尺寸为 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 1 0 0 mm 的试 件 。 试验 中, 水泥采用大连水 泥厂生产的 P O 3 2 5 级水泥 , 细骨 料为中砂 , 粗骨料为碎石 , 最大粒径 为2 0 mm, 试件标准养护 9 0 d : 表 1 为混凝土每立方米的配合 比及性能指标
17、j 表 1 每立方米混凝土的配合比及性能指标 混凝 土力学性能试验 足 大连理 大学 海岸和近海 T程 国家重点实验室的大型混凝土静 、 动i轴电液伺服试验机上完 成。 系统由电液伺服阀、 电予控制线路和向分别独立的加力架 、 加载板、 液压缸、 荷载传感器和位移传感器( L v DT ) 组成, 系统 可实现各种应力 比下的 三向拉 、 王 向 和 _ 二 向托压的静动态试 验 , 见图 1 。 图 1 大型混凝土静、 动三轴 电液伺服试验 系统 进行单轴抗压试验时, 将试件安装在试验机的加载板间, 试件加载面与加载板之 间采取减摩措施 , 减 摩材料采用塑 料薄 膜和甘油。 先将试件轴心物
18、理对 中 , 并进行反复预压, 冉按标准 静态加载速率( 2 0 MP a mi n ) 施加荷载 , 直 至试件破坏。 试件承受 的压力, 位移和应变值均 由计算机动态采集 。 测得混凝土的应 力 及两个方 向的应变 。 试验得出的混凝土单轴压的应力一 应变 曲线 见罔 2 , 泊松 比与应力 的关系见罔 3 。 应变 图 2 混凝土单轴应力一 应变关 系曲线 进行混凝土双轴压的试验研究。 先将试件轴心物理对巾, 并 进行双 向反 复预压 , 再以设定 的 5种加载 比例 , 按标准 静态 2 4 35 3 0 25 兰 2 0 喜1 5 1 0 5 0 泊 松 比 图 3 泊松比与应力 的
19、关 系 加载速率 ( 2 0 MP a mi n) 在双 向同时施加荷载 , 直至试件破坏 。 5种加载 比例分别 为 O = t y f , = O , 0 2 5 , 0 5 , 0 7 5 , 1 0 。 每种应力 状 态 , 至少试 验 5个试件 , 当发 现离散较大 时 , 增加试件 数 目, 以求数据的完整准确, 试件承受的两个方向的压力 , 位移和应 变值均 由计算机动态采集。 4表示不 同加载 比例下混凝土 的 双轴压应力一 应变关 系曲线 : 1 0 b 丑 0 5 O I 】 2 U U 2 U 4 U b 臆 变 1 0 图 4常态 下不 同应力比混凝土应 力一 应变曲线
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- 混凝土 非线性 模型 研究
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