混凝土抗拉疲劳剩余强度损伤模型

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发布时间：2021-09-18

资料介绍

混凝土抗拉疲劳剩余强度损伤模型
孟宪宏1, 2, 　宋玉普3 1
( 1. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁大连　116024;
2. 沈阳建筑大学土木工程学院, 辽宁沈阳　110168 )
摘要: 基于连续体损伤力学理论, 建立了各向异性混凝土抗拉疲劳剩余强度衰减模型. 模型
中采用了基于应变能量释放率空间的边界面模型, 通过极限断裂面的不断移动模拟疲劳过程
中损伤阈值的不断变化. 提出了在高周疲劳过程中损伤模量表达式中的D 为一与剩余强度
有关的变量的观点, 并给出了函数表达式. 结合已完成的混凝土疲劳抗拉剩余强度试验, 确
定了模型的参数, 并验证了模型的有效性.
关键词: 混凝土; 疲劳; 剩余强度; 损伤; 边界面
中图分类号: TU 375 文献标识码: A
0　引　言
随着混凝土结构应用的拓展, 许多结构或构
件经常处于重复性的较高应力水平下, 结构的疲
劳破坏已是不可回避的问题. 结构的疲劳破坏主
要是因为混凝土内部损伤而导致其强度下降, 所
以了解疲劳过程中混凝土剩余强度的衰减规律显
得尤为重要.
边界面模型最早由Dafalia s 等[1 ] 提出, 并用
于金属材料的循环加载. 该模型认为应力空间中
存在着一个无形的与损伤水平相一致的包络面,
所有可能的应力点都包含在此包络面内, 这一包
络面被称为边界面. Dafalias[2 ] 又进一步在他的
模型中定义了极限断裂面、加载面和边界面的概
念. 只有加载面超过极限断裂面时才有损伤发
生. 损伤的增长率是加载面上一点与其在边界面
上的投影点间距离的函数. Sua ris 等[3 ] 利用连续
体损伤力学理论建立了预测单调和循环荷载混凝
土损伤发展的模型, 模型中将弹性势能表示成主
应力和损伤柔度张量的函数. 模型中的极限损伤
断裂面、加载面和边界面都用应变能量释放率向
量R i 表示. A l2Gadh ib 等[4 ] 在Sua ris 模型的基础
上, 建立了各向异性弹性损伤模型, 用于预测混凝
土承受单调荷载与疲劳荷载时的应变变化与疲劳
寿命. 该模型在建立本构关系时利用了损伤因子
张量M. Baluch 等[5 ] 利用损伤力学概念建立了混

凝土抗压疲劳剩余强度预测模型, 并作了少量试
验验证了模型的精度. 但由于其试验内容中试件
较少、最大应力水平较高、疲劳寿命较短等, 模型
的有效性没有得到充分的验证.
鉴于目前国内外对混凝土疲劳剩余强度模型
研究较少, 试验数据缺乏等原因, 本文利用连续体
损伤力学的概念, 建立混凝土抗拉本构模型, 利用
模型编制计算机程序, 绘出不同最大应力水平下
混凝土疲劳剩余抗拉强度的衰减曲线. 为了验证
模型的精度, 进行99 个变截面棱柱体试件的疲劳
抗拉剩余强度试验, 并利用试验结果与理论模型
相对比, 分析理论模型的有效性及不足.
1　建立模型
1. 1　损伤因子张量及有效柔度矩阵
由复合材料损伤力学[6 ] 可知, 对于各向异性
损伤的情况, 有效应力R
q
可以表示为
R
q
= M (X) ∶R (1)
式中: R 为表观应力; ∶ 为张量双点积;M (X) 为损
伤因子张量, 它是一个四阶张量. 研究者们建议
了很多M (X) 的表达形式, 并将其应用到金属的
损伤分析中. Khan 等[7 ] 最初将损伤因子张量的
概念用于分析混凝土的损伤, Khan 模型同时考虑
了混凝土拉压两种损伤, 本文在Khan 模型的基
础上进行简化, 去掉了与抗压有关的参数得到了
用于抗拉疲劳的损伤因子