混凝土多轴非线性本构模型的研究

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发布时间：2021-09-17

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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 16600；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 16024)
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 Jones。Nel_
o 一M。 ga 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：混凝土；多轴；非线性；本构模型；Jones．Nelson—Morgan模型
中图分类号： TU528 01 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(201 1)04—0023—04
Nonlinear constitutive model research on concrete(multiaxia1)
YAO a—wei ．SUN Shi-yong ．CHEN Hao-ran
(1 School ofCivilEngineering andArchitecture，DalianNationalitiesUniversity，Dalian 116600，China；
2 StateKeyLaboratory ofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment，DalianUniversityofTechnology．Dalian 116024，China)
Abstract： The stress．strain relationship of concrete subjected uni—axial stress and bia—axial stress with five kinds of diferent stress ratio
respectively was abtained through large number of tests in this paper The constituting principle and determining method for Jones。Nelson—Morgan
model was stated It was the first time to apply the m odel to the analysis of constitutive model relationship for concrete materia1．Combining the
uni．axial test results fo r concrete，the nonlinear constitutive model fo r concrete was built．The characteristic of the model is that the mechanics
property ofmaterial is only the function of strain energy Due to the method，the model can be used in analysis ofcomplex stress state easily．Using
general defined Huke law，the model can be spread to the constitutive model analysis of concrete under bia—axial stress state．The theory model
conform S to tests results wel1．
Key w ords： concrete，multi—axial；constitutive m odel；Jones—Nelson—M organ constitutive model
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、
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，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。
Jones—Nelson—Morgan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
表达式和卸载模型，取得了很好的效果。Jones—Nelson—Morgan
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。