混凝土彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的三維拓展

本項(xiàng)目的各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容基本依照原計(jì)劃得以執(zhí)行，在試驗(yàn)、理論、數(shù)值各方面均取得了良好進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期研究目標(biāo)。取得的主要成果如下： 1）運(yùn)用新建成的試驗(yàn)系統(tǒng)，輕松獲得了一系列應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。除了常見的壓子午面三軸受壓工況，還補(bǔ)充了少量拉子午面三軸受壓工況，以彌補(bǔ)真三軸受壓工況的缺乏。同時(shí)完成了一些小尺寸的箍筋/鋼管約束混凝土構(gòu)件的加載試驗(yàn)。為3維本構(gòu)模型的建立提供了依據(jù)和支持。 2）提出了塑性能貯存率這一熱力學(xué)廣義力，從唯象學(xué)的角度探索了塑性自由能的性質(zhì)，給出了實(shí)用的函數(shù)表達(dá)式。并基于此為混凝土構(gòu)建了完整的2維彈塑性損傷本構(gòu)模型。 3）從細(xì)觀力學(xué)和多尺度方法的觀點(diǎn)剖析了塑性自由能的物理本質(zhì)，借助微彈簧、微滑塊等抽象細(xì)觀元件以簡(jiǎn)化的形式表示自由能，避開極為復(fù)雜的開裂介質(zhì)數(shù)值模擬，給出了公開發(fā)表文獻(xiàn)中首個(gè)半解析函數(shù)表達(dá)式?？赏麨榘l(fā)展多尺度隨機(jī)損傷力學(xué)提供一種新的有效途徑。 4）從數(shù)學(xué)形式的角度重新分析和整理了混凝土強(qiáng)度理論，為彈塑性損傷本構(gòu)模型拓展了屈服函數(shù)和損傷加載函數(shù)的構(gòu)造方法。重點(diǎn)研究了廣泛使用的Lubliner準(zhǔn)則，闡明了它與雙重強(qiáng)化模型及后退歐拉回映算法的相容性，并揭示了它在三軸受拉和三軸受壓狀態(tài)下的局限性。 5）提出了新穎的應(yīng)力分解方式，分離出混凝土的三軸受壓損傷機(jī)制，建立起完整的3維彈塑性損傷本構(gòu)模型。它是公開發(fā)表文獻(xiàn)中還未有的，能同時(shí)反映混凝土強(qiáng)化軟化、剛度退化、殘余變形、拉壓?jiǎn)芜呅?yīng)、約束效應(yīng)等各項(xiàng)主要力學(xué)行為特征的本構(gòu)模型，為結(jié)構(gòu)非線性分析提供了暫時(shí)無可替代的有力工具。 2100433B

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估和加固迫切需要高質(zhì)量的非線性分析，混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析的關(guān)鍵在于本構(gòu)關(guān)系。當(dāng)前活躍于國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界的混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型仍限于二維問題，其三維拓展具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目從混凝土的三維力學(xué)行為特征和彈塑性損傷體的自由能勢(shì)二方面著手，建立三維彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系。通過多種加卸載路徑中的三軸材料力學(xué)試驗(yàn)，獲得強(qiáng)度、剛度和永久變形的三維演化形態(tài)，構(gòu)造合適的強(qiáng)化變量、損傷變量演化函數(shù)和塑性勢(shì)函數(shù)；結(jié)合運(yùn)用現(xiàn)代熱力學(xué)和損傷力學(xué)的觀點(diǎn)和方法，對(duì)自由能勢(shì)進(jìn)行重新審視和深入探索，為本構(gòu)關(guān)系的推演提供一個(gè)合理的出發(fā)點(diǎn)；深入分析塑性演化、損傷演化和自由能勢(shì)之間的相互制約和影響，建立既具有嚴(yán)格的熱力學(xué)基礎(chǔ)，又能較好地反映混凝土三軸試驗(yàn)現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)直接基于三維彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析，為對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)和數(shù)值模擬提供新的視角和方法。

《混凝土損傷與斷裂》從混凝土材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，應(yīng)用彈性損傷理論建立了描述混凝土細(xì)觀單元的本構(gòu)關(guān)系及斷裂過程分析的數(shù)值模型等，為混凝土等準(zhǔn)脆性非均勻材料的損傷與斷裂的研究提供一個(gè)數(shù)值工具。

本書系統(tǒng)論述混凝土損傷力學(xué)的基本理論與最新研究成果，內(nèi)容包括：應(yīng)力—應(yīng)變分析，彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)，損傷力學(xué)基本原理，混凝土確定性損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土動(dòng)力損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值算法，混凝土框架結(jié)構(gòu)分析，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)分析，混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)分析，混凝土結(jié)構(gòu)隨機(jī)非線性分析。

彈塑件力學(xué)是固體力學(xué)的重要分支學(xué)科。固體材料往往同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，特別是材料處在塑性階段時(shí)，變形中既有可恢復(fù)的彈性變形，又有不可恢復(fù)的塑性變形。

大多數(shù)固體材料往往同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，因此又常被稱為彈塑性材料。彈塑性指的是物體在外力作用下會(huì)發(fā)生變形，而外力卸載之后變形不一定能完全恢復(fù)的性質(zhì)，其中變形中可恢復(fù)部分稱為彈性變形，不可恢復(fù)部分稱為塑性變形。

彈性力學(xué)討論固體材料中的理想彈性體及同體材料彈性變形階段的力學(xué)問題，包括在外力作用下彈性物體的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移的分布，以及與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論。

塑性力學(xué)討論固體材料中塑性階段的力學(xué)問題，采用宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究方法，從材料的宏觀塑性行為中抽象出力學(xué)模型，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程予以描述。可變形同體的彈性階段與塑性階段是整個(gè)變形過程中的兩個(gè)不同階段，彈塑性力學(xué)是研究這兩個(gè)密切相連階段力學(xué)問題的科學(xué)。

彈塑性力學(xué)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，具有一套較完善的理論和方法。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，研究彈塑性力學(xué)新的理論、方法及其在基礎(chǔ)工程上的應(yīng)用尤顯重要。塑性力學(xué)與彈性力學(xué)有著密切的關(guān)系，彈性力學(xué)中的大部分基本概念和處理問題的方法都可以在塑性力學(xué)中得到應(yīng)用。

彈性力學(xué)與塑性力學(xué)的根本區(qū)別在于彈性力學(xué)是以應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系的廣義Hooke定律為基礎(chǔ)。一般來說，在塑性力學(xué)的范圍中，應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系呈非線性，而這種非線性的特征與所研究的具體材料有關(guān)，對(duì)于不同的材料和條件，具有不同的變化規(guī)律。

工程材料在應(yīng)力超過彈性極限以后并未發(fā)生破壞，仍具有一定繼續(xù)承受載荷的能力，但剛度相對(duì)地降低，故以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的沒計(jì)方法不能充分發(fā)揮材料的潛力，某種程度上導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。因此，以塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法比彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)更為優(yōu)越，更符合實(shí)際工程應(yīng)用。 2100433B