混凝土受压损伤本构模型及其数值验证

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发布时间：2021-09-22

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混凝土受压损伤本构模型及其数值验证
薛志成’，马强’，杨璐。裴强。
(1．黑龙江科技学院建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150027；2．沈阳工业大学建筑工程学院，辽宁沈阳110023；
3．大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁大连1 16622)
摘要：利用能量等效假设，结合混凝土结构设计规范中的混凝土受压本构关系，引入标量形式的损伤变量，提出了新的混凝土损伤模
型，以用于混凝土结构的损伤分析。新的损伤演化方程中的材料参数值完全由试验标定；以单边切口混凝土梁的四点剪切加载为例，在
ABAQUS有限元分析软件中采用该模型进行结构损伤分析，结果表明，模型损伤演化结果符合数字散斑试验结果趋势，说明该损伤模型
用于混凝土结构损伤分析是可行的。
关键词：混凝土；损伤本构模型；能量等效假设；数值验证
中图分类号： TU528．O1 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2012)05—0041—03
Compression damage constitutive model of concrete and its num erical verification
舢Zhi—cheng~,MA Qiang’．YANGLu2,PEIQiang
(1．School ofCivil Engineering，Heilongjiang Institute ofScience and Technology，Harbin 150027，China；
2．School ofArchitecture and Civil Engineering，Shenyang Un!versity ofTechnology，Shengyang 1 10023，China
3．TheR&DCenteroftheCivilEngineeringTechnology，DalianUniversity，Dalian116622，China)
Abstract： Using the energy equivalent hypothesis，combining the compression constitutive mode of concrete material in the code for design of
concrctc structure，the scalar form ofdamage variable is introducted an d a new concre~damage model is proposed SO as to use for damage analysis
in concrete structures．In order to the unilateral incision concrete beam s with a four-point shear loading，for example，this model is developed
for structural dam age analysis in the ABAQUS finite element sofwre．The results show that the model damage evolution results accord the tenden·
cy ofdigital speckle test results．It means that the damage mod el for concrete structural dam age．an alysis is feasible．
Key W Ords： concrete：damage constitutive model：energy equivalent hypothesis；numerical verification
O 引言
混凝土是一种非匀质的准脆性材料，其失效过程是内部微
孔洞、微裂纹等不断萌生、扩展、汇集与贯通的过程[1】，因此其破
坏过程十分复杂，适用于损伤力学理论来描述。工程中常用的损
伤模型是Bazant．P~audier-Cabot模型翻和de Borst模型【3]。在前
一种模型中，损伤和塑性应变是全量形式的，也就是说没有增
量形式损伤演化和塑性应变的演化，是不耦合的；在后一种损
伤模型中，损伤演化率是基于等效应力准则，而且没有基于应
变强度准则的资料可以利用，因此，基于损伤应变的损伤模型
需要额外的试验，从这一点考虑，基于等效应力的塑性损伤模
型更能适用于工程需要。还有一种基于塑性的损伤模型，即所谓
的Bacelona模型，在这个模型中，损伤的演化是全量形式的，
并且用两个损伤变量来表示拉伸损伤和压缩损伤，损伤演化和
塑性应变演化也是不耦合的。本研究结合文献【5】，利用能量等
效假设，提出一种标量形式的混凝土受压损伤本构模型。它具有
损伤的演化与塑性应变的增长紧密相连，且损伤演化也与弹性应
变密切相关的特点；这个模型比较容易扩展到混凝土损伤的数
值模拟中去，因此可以有效地用于混凝土结构的损伤模拟分析。
1 损伤本构模型建立
1．1 能量等效假设
根据能量等效假设嘲，即受损材料的弹性余能和无损材料
的弹性余能在形式上相同，对受损弹脆性材料，其应力一应变关
系可用虚拟的无损状态下的应力一应变关系替代，但要同时用
有效应力和有效应变分别替换真实应力0v和真实应变8，即：
矛钮 (1)
式中： ——无损材料的弹性模量。
1．2 损伤变量方程及其演化方程的建立
由能量等效假设得混凝土的损伤本构关系为：
cr=(1一D)2E0 (2)
式中：D—— 混凝土的损伤变量。
根据文献[5】中通过试验给出的混凝土单轴受压的应力一应
变关系曲线，可以得到混凝土受压时分段损伤变量方程。
上升段损伤变量方程为：