混凝土彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的三維拓展

本項目的各項研究內(nèi)容基本依照原計劃得以執(zhí)行，在試驗、理論、數(shù)值各方面均取得了良好進展，實現(xiàn)了預(yù)期研究目標。取得的主要成果如下： 1）運用新建成的試驗系統(tǒng)，輕松獲得了一系列應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。除了常見的壓子午面三軸受壓工況，還補充了少量拉子午面三軸受壓工況，以彌補真三軸受壓工況的缺乏。同時完成了一些小尺寸的箍筋/鋼管約束混凝土構(gòu)件的加載試驗。為3維本構(gòu)模型的建立提供了依據(jù)和支持。 2）提出了塑性能貯存率這一熱力學(xué)廣義力，從唯象學(xué)的角度探索了塑性自由能的性質(zhì)，給出了實用的函數(shù)表達式。并基于此為混凝土構(gòu)建了完整的2維彈塑性損傷本構(gòu)模型。 3）從細觀力學(xué)和多尺度方法的觀點剖析了塑性自由能的物理本質(zhì)，借助微彈簧、微滑塊等抽象細觀元件以簡化的形式表示自由能，避開極為復(fù)雜的開裂介質(zhì)數(shù)值模擬，給出了公開發(fā)表文獻中首個半解析函數(shù)表達式?？赏麨榘l(fā)展多尺度隨機損傷力學(xué)提供一種新的有效途徑。 4）從數(shù)學(xué)形式的角度重新分析和整理了混凝土強度理論，為彈塑性損傷本構(gòu)模型拓展了屈服函數(shù)和損傷加載函數(shù)的構(gòu)造方法。重點研究了廣泛使用的Lubliner準則，闡明了它與雙重強化模型及后退歐拉回映算法的相容性，并揭示了它在三軸受拉和三軸受壓狀態(tài)下的局限性。 5）提出了新穎的應(yīng)力分解方式，分離出混凝土的三軸受壓損傷機制，建立起完整的3維彈塑性損傷本構(gòu)模型。它是公開發(fā)表文獻中還未有的，能同時反映混凝土強化軟化、剛度退化、殘余變形、拉壓單邊效應(yīng)、約束效應(yīng)等各項主要力學(xué)行為特征的本構(gòu)模型，為結(jié)構(gòu)非線性分析提供了暫時無可替代的有力工具。 2100433B

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估和加固迫切需要高質(zhì)量的非線性分析，混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析的關(guān)鍵在于本構(gòu)關(guān)系。當前活躍于國際學(xué)術(shù)界和工程界的混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型仍限于二維問題，其三維拓展具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。本項目從混凝土的三維力學(xué)行為特征和彈塑性損傷體的自由能勢二方面著手，建立三維彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系。通過多種加卸載路徑中的三軸材料力學(xué)試驗，獲得強度、剛度和永久變形的三維演化形態(tài)，構(gòu)造合適的強化變量、損傷變量演化函數(shù)和塑性勢函數(shù)；結(jié)合運用現(xiàn)代熱力學(xué)和損傷力學(xué)的觀點和方法，對自由能勢進行重新審視和深入探索，為本構(gòu)關(guān)系的推演提供一個合理的出發(fā)點；深入分析塑性演化、損傷演化和自由能勢之間的相互制約和影響，建立既具有嚴格的熱力學(xué)基礎(chǔ)，又能較好地反映混凝土三軸試驗現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系。實現(xiàn)直接基于三維彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析，為對混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的認識和數(shù)值模擬提供新的視角和方法。

《混凝土損傷與斷裂》從混凝土材料的細觀結(jié)構(gòu)入手，應(yīng)用彈性損傷理論建立了描述混凝土細觀單元的本構(gòu)關(guān)系及斷裂過程分析的數(shù)值模型等，為混凝土等準脆性非均勻材料的損傷與斷裂的研究提供一個數(shù)值工具。

本書系統(tǒng)論述混凝土損傷力學(xué)的基本理論與最新研究成果，內(nèi)容包括：應(yīng)力—應(yīng)變分析，彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)，損傷力學(xué)基本原理，混凝土確定性損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土隨機損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土動力損傷本構(gòu)關(guān)系，混凝土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值算法，混凝土框架結(jié)構(gòu)分析，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)分析，混凝土實體結(jié)構(gòu)分析，混凝土結(jié)構(gòu)隨機非線性分析。

彈塑件力學(xué)是固體力學(xué)的重要分支學(xué)科。固體材料往往同時具有彈性和塑性性質(zhì)，特別是材料處在塑性階段時，變形中既有可恢復(fù)的彈性變形，又有不可恢復(fù)的塑性變形。

大多數(shù)固體材料往往同時具有彈性和塑性性質(zhì)，因此又常被稱為彈塑性材料。彈塑性指的是物體在外力作用下會發(fā)生變形，而外力卸載之后變形不一定能完全恢復(fù)的性質(zhì)，其中變形中可恢復(fù)部分稱為彈性變形，不可恢復(fù)部分稱為塑性變形。

彈性力學(xué)討論固體材料中的理想彈性體及同體材料彈性變形階段的力學(xué)問題，包括在外力作用下彈性物體的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移的分布，以及與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論。

塑性力學(xué)討論固體材料中塑性階段的力學(xué)問題，采用宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究方法，從材料的宏觀塑性行為中抽象出力學(xué)模型，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程予以描述。可變形同體的彈性階段與塑性階段是整個變形過程中的兩個不同階段，彈塑性力學(xué)是研究這兩個密切相連階段力學(xué)問題的科學(xué)。

彈塑性力學(xué)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，具有一套較完善的理論和方法。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，研究彈塑性力學(xué)新的理論、方法及其在基礎(chǔ)工程上的應(yīng)用尤顯重要。塑性力學(xué)與彈性力學(xué)有著密切的關(guān)系，彈性力學(xué)中的大部分基本概念和處理問題的方法都可以在塑性力學(xué)中得到應(yīng)用。

彈性力學(xué)與塑性力學(xué)的根本區(qū)別在于彈性力學(xué)是以應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系的廣義Hooke定律為基礎(chǔ)。一般來說，在塑性力學(xué)的范圍中，應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系呈非線性，而這種非線性的特征與所研究的具體材料有關(guān)，對于不同的材料和條件，具有不同的變化規(guī)律。

工程材料在應(yīng)力超過彈性極限以后并未發(fā)生破壞，仍具有一定繼續(xù)承受載荷的能力，但剛度相對地降低，故以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的沒計方法不能充分發(fā)揮材料的潛力，某種程度上導(dǎo)致材料的浪費。因此，以塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計方法比彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計更為優(yōu)越，更符合實際工程應(yīng)用。 2100433B