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1、论述混凝土损伤模型 【摘要】本文系统地综述了混凝土损伤探讨的概况， 分析了各个有代表意义的混凝土损伤本构模型基础之上，对比探讨了各个模型的特点及各自适用范围，并对有待进一步探讨的问题进行了探讨。 【关键词】混凝土，本构模型，损伤 1 前言 混凝土作为重要的建筑材料已有一百零一余年的历史，当前广泛应用于各个领域本构模型，当然，在土木工程和采矿工程中也是必不行少的，在结构工程等混凝土更为广泛应用的探讨领域，人们已经对混凝土的力学特性进行了广泛的探讨本构模型，但是对混凝土损伤与断裂过程中的裂纹扩展以及损伤与断裂机制等基本问题，还须要进一步的探讨。随着结构形式由单纯的一般房屋建筑结构扩展到重力式海洋平
2、台、高拱坝、核电站混凝土爱护层和大跨度混凝土桥梁等困难结构，结构的工作环境和荷载作用也变得更加困难，导致很多新的工程和力学现象不断地出现，使得对混凝土破坏理论的探讨必需向更深的层次发展，以适应工程实际的须要。 在混凝土的损伤探讨中，大量学者针对详细工程状况提出了各种不同的损伤本构模型，但是由于适用条件的特别性及所建立模型的困难化，很少有一种能够有明确的物理意义、表达简洁、便于工程师接受的一般损伤本构关系式。从物理意义来看损伤力学是比较适合用来描述混凝土材料的本构关系的。本文基于对损伤本构模型的思索，结合有待进一步探讨的问题，对一些有代表性的损伤模型进行了综述。 2 混凝土损伤本构模型 2.1
3、混凝土各向同性弹性损伤模型 2.1.1 Loland 损伤模型 该模型为单轴拉伸模型. 假设材料为弹性各向同性，损伤也是各向同性的， 该模型的定义简洁，适用于混凝土受拉状况，所得到的应力-应变曲线和所采纳的试验结果较符合论文服务。但是有效应力在其次阶段假定为一常数，得到的应力- 应变是线性关系，这是值得商榷的。 2.1.2 Mazars 损伤模型 该模型的特点：假定峰值应力前应力- 应变关系为直线，因此无初始损伤或损伤不发展，在单轴受拉、受压状况下与试验吻合较好，但是在多轴应力条件下误差较大。 2.1.3 Kachanov 损伤模型 借助于Kachanov 的“连续度”的概念，连续介质损伤力学
4、将材料的损伤描述为有效受力面积的削减，依据这一推理，于海祥等1 在描述构件损伤程度时，将损伤变量定义为： ，该模型较为简洁，物理意义明确。 以上几种模型建立的思路基本类似，假定无初始损伤或初始损伤不发展，依据试验应力-应变全曲线数据分阶段建立损伤模型，不同点在于损伤演化方程不一样。Loland 所参照的应力- 应变曲线不呈现尖锐的峰值，建立的损伤模型与其它模型有所不同。 2.2 混凝土各向异性弹性损伤模型 2.2.1 Sidoroff 损伤模型 Sidoroff 能量等价原理指出：假如用有效应力张量代替柯西应力张量，受损材料的弹性余能与无损材料的弹性余能在形式上相同。 该模型有其可信的理论基础
5、. 但应力峰值前的零损伤假设与实际状况不符. 由于在该模型中损伤阈值在Y空间是常量，故又称为志向损伤模型，类似于志向塑性的概念.。 2.2.2 Krajcinovic 损伤模型 此模型假设材料内部损伤是由平面币状缺陷所引起，损伤变量为矢量，该模型在材料微观机理与宏观性质的连接上作出了有意义的尝试，依据平面币状损伤假设， Helmholtz 定义了由裂纹密度表示的自由能表达式，依据正交法则得到三维损伤应力应变关系，损伤刚度张量由裂纹密度表达。 从探讨表明本构模型，混凝土在受到外界作用之前由于内部微缺陷导致的初始损伤是各向同性的. 而且，从宏观平均的角度看混凝土的力学性质也是各向同性的. 但是，随
6、着受到环境和外载的作用后，变形的累积和局部的应力集中引起损伤的演化，这种损伤是各向异性的，损伤的主方向与应力的主方向相同，第一主损伤方向即为第一主应力方向. 并且，损伤导致了材料的各向异性. 已有的各向同性损伤模型在困难应力状况下均存在较大误差也在肯定程度上说明白问题. 因此，应当把发展既具有较强的预料实力，并且又适于应用的各向异性模型作为重点探讨方向之一. 从目前看，基于能量分析建立的模型具有较大的潜力，但距离真正解决问题还有相当的差距。 2.3 混凝土弹塑性损伤模型 混凝土循环加卸载试验表明2 ，试件受载过程中刚度不断降低，并伴有残余应变产生。明显弹性损伤本构模型不能反映出不行逆变形的发展
7、过程，致使所建模型与实际有较大误差，因此有学者提出了考虑不行逆变形的弹塑性损伤模型，并依据塑性增量理论建立了弹塑性受损材料的本构关系及加载准则3。 2.4 混凝土塑性损伤模型理论 采纳损伤力学处理塑性变形有两种方法：假设损伤仅对材料的弹性特性有影响，在Cauchy应力空间利用经典的塑性力学。混凝土进入软化段后，这种方法涉及屈服面收缩，因此会出现肯定的数值收敛和稳定性问题。在有效应力空间内利用塑性力学基本公式。由于有效应力空间内屈服面始终处于膨胀状态而不存在收缩，因此采纳这种方法可以避开软化段的困难处理问题论文服务。 2.5 混凝土随机损伤本构关系 在外荷载或环境作用下、由于细观结构的缺陷 所引
8、起的材料或结构的劣化过程称为损伤.。混凝土材料的显著特点是非均质性和多相多孔性，反映在力学性能的明显特征是宏观力学指标的离散性. 混凝土材料受力全过程试验结果表明2 ：混凝土材料破坏过程与其内部损伤的发展亲密相关.。混凝土应力- 应变全过程曲线具有明显的非线性和离散性特点。 3 结束语 损伤力学理论的问世，为混凝土本构理论的探讨供应了新的理论框架，各国学者经过三十多年的探讨工作，在该领域取得了大量的成果。这些理论模型的确在解决某些详细问题上起到了作用，但存在的问题也是明显的： 混凝土损伤机理的探讨是混凝土结构损伤分析的基础，针对混凝土结构的工作环境和其材料特性，虽然主要关切的应是其宏观性质的改
9、变，但要真正、全面地解决混凝土的损伤问题，应当把唯象的方法和细观的方法结合起来，也就是须要把力学的探讨和材料 的探讨结合起来，目前这方面的探讨在混凝土材料中还开展得不够。 当今的探讨工作中，对损伤因素的探讨几乎都集中于疲惫和地震，模型不具有针对不同损伤缘由的普遍适应性。又由于试验大都是通过各种构件完成，对构件的损伤累积不能推广到材料层次，模型不具普遍性，这给工程应用带来困难。 由于对混凝土及结构的损伤机理的深化相识和牢靠度理论的应用，人们已经把探讨爱好更多地从对承载极限转移到运用极限状态上来. 如何逐步地把损伤探讨和牢靠度理论结合起来，并在实践中加以应用，是提高结构设计水准的重要途径。 混凝土
10、结构的非线性分析问题是混凝土科学发展的核心问题之一，正确地反映结构非线性行为的随机演化特征是解决这一问题的关键. 而欲志向地进行这一问题的探讨，最基础性的工作即为对于随机损伤本构关系的探讨. 高性能混凝土的发展，使得进行这类探讨的必要性变得更为现实而迫切。 参考文献 1于海祥，武建华，张国彬，一种新型的砼结构双参数地震损伤模型J. 重庆建筑高校学报，2004 ，26 ：43 - 48. 2过镇海，混凝土的强度和变形M. 北京：清华高校出版社，19101. 3吴建营，基于损伤能释放率的混凝土弹塑性损伤本构模型及其在结构非线性分析中的应用D。上海：同济高校，2004 作者简介： 王学民、男、1969年7月、河南省封丘县人、 、助理工程师 、工作于河南润恒建筑工程有限公司 张世营、男、11019年2月、河南省正阳县人、 、助理工程师 、工作于河南润恒建筑工程有限公司 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页