现代建筑结构设计理论第四讲钢–动载作用下的混凝土本构模型.ppt

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。 混凝土动态本构模型 对于裂纹分布较密且较为均匀的区域可以用应力-应变关系表示的模糊裂纹模型[29]，[30]（Smeared cracking model）或粘聚裂纹模型[31]（Cohesive crack model）来模拟；而对于裂纹分布不均的集中裂缝则应该采用离散裂缝模型[32]（Discrete cracking model）或虚拟裂缝模型[33]（Fictious cracking model）来模拟应力与开裂宽度之间的关系。基于以上模型，人们还发展了钝化裂纹带模型（Blunt crack model）和非局部化模型（non-local model）[34]，[35]等。通常这些模型不能进行解析计算，而需要用到数值方法，具体可参见综述性文献的介绍。 　　另外，混凝土是一种准脆性材料，因此其动态本构模型还可以通过借鉴其它脆性材料如陶瓷、岩石等的动态本构模型而得来，这方面的工作可参考Rajendran[39]、Bar-on[40]、Grady [41]和Vorobiev[42]等人的文献。 混凝土动态本构模型 　　混凝土材料由于其成分复杂、多变，并且在使用中往往承受的载荷大而且变化剧烈，还有也可能承受各种严酷的环境作用和偶然性事故，例如强烈的地震、物体碰撞、爆炸冲击、风浪侵袭等。因而，其在动态、冲击下的研究是相当重要而且十分必要的，且有广阔的前景。但是，应该注意到这一领域的研究也是相当困难的。当然，近20多年的研究在这方面已经取得了很大的进展，然而需要研究的问题还是不少。 混凝土动态本构模型 　 (1)混凝土材料表现出了不连续性、非均质性、各向异性以及时空相关性等，如何在本构模型中很好的表述这些材料特性还需要从宏、细观相结合的角度深入研究。同时，伴随了动态、冲击过程中的一些突发性事件，基于随机因素本构模型的建立也有必要进一步研究。 　　(2)虽然实际问题一般都会涉及到多轴应力状态，但是由于高应变率实验的高难度和复杂性，大量的实验尚限于单轴一维应力实验（如MTS和SHPB实验）和一维应变实验（如轻气炮实验）以及准一维应变实验（如侧限约束SHPB实验）。同时，由于受到实验设备和实验条件的限制，我们只能在实验室里进行小尺寸试件的材料特性研究，如何有效地预估实际中大尺寸结构的动态响应，其真实效果、误差大小如何也是值得我们考虑的问题。 混凝土动态本构模型 目前，已有的混凝土动态本构关系多 但，形式复杂性、要求参数较多，确定起来比较困难并部分带有主观性和不确定性 一般来说，好的本构模型要求： 在理论上应该是严格的 在计算上应该是方便的 它所需要的参数也应该简单明了、耦合性少，并且能用现有的（甚至是传统的）量测手段在试验中测到 混凝土的动态 [2] Bischoff P H, Perry S H. Compressive behavior of concrete at high strain rates. Material and structure, 1991, 144(24):425~450 [3] Malvar L J and John E C. Dynamic increase factors for concrete. Twenty-Eighth DDESB Seminar Orlando, FL, August 1998 混凝土动态本构模型 [4] Malvar L J and Ross C A. Review of strain rate effects for concrete in tension. ACI Materials Journal, 1998, 95(6):735~739 [5] Cowper G R, Symonds P S. Strain hardening and strain rate effects in the impact loading of canti