破坏准则

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另外也可以理解为以单轴拉、 压条件定义拉、压子午线,即单 轴拉状态所在的子午线成为拉子 午线,而单轴压状态所在的子午 线成为压子午线。
θ =60o
θ =0o
试验研究指出,混凝土的三维 破坏面也可用三维主应力空间破 坏曲面的圆柱坐标ξ,r,θ来描述, 其本身也是应力不变量。
σ3 P(σ1 ,σ2 , σ3) r e o 偏斜应力 N σ2
θ =0o
拉压子午线的命名,并非指应力状态的拉或压,而是相应于 三轴试验过程。 若试件先施加静水应力σ1 = σ2 = σ3 ,后在一轴σ1上施加拉力, 得σ1 ≥ σ2 = σ3 ,称拉子午线; 若试件先施加静水应力σ1 = σ2 = σ3 ,后在另一轴σ3上施加压 力,得σ1 =σ2 ≥ σ3 ,称压子午线。
采用上述应力量致使准则的数学形式差别很大,不便作深人 对比分析。但这些应力量借助下列基本公式可以很方便地互相 变换:
0 f c oct
f1 f 2 f 3 I1 m 3 3 3
( f1 f 2 ) 2 ( f 2 f 3 ) 2 ( f 3 f1 ) 2 5 m 2J 2 r 0 f c oct 3 3 3 3 2 f1 f 2 f 3 2 f1 f 2 f 3 2 f1 f 2 f 3 2 f1 f 2 f 3 cos 3 2 oct 2 3J 2 6r 30 m 或 cos3 3 3J 3 2J 3 3 2J1.5 oct 2
r ( f1 f 2 ) 2 ( f 2 f 3 ) 2 ( f 3 f1 ) 2 / 3 3 oct cos (2 f1 f 2 f 3 ) /( 6r )
由上式可知,将上图的坐标缩 小 3 可以用八面体正应力(σoct) 和剪应力(τoct)坐标代替静水 压力和偏应力坐标,得到相应的 拉、压子午线和破坏包络线。
3个主应力轴在偏平面上的投影各成120o角。同一偏平面上的每一点的3个主 应力之和为一常数:
I1为应力张量σij的第一不变量
1 2 3 const I1
偏平面与破坏包络曲面的交线成为偏平面包络线。不同静水压力下的偏平面 包络线构成一族封闭曲线。
偏平面包络线为三折对称,有夹角60o范围内的曲线段,和直 线段一起共同构成全包络线。取主应力轴正方向处为θ=0o ,负 方向处为θ=60o ,其余各处为0o<θ<60o。
4、以包络曲面的几何形状特征为依据的纯数学推导公式
模式规范CEB FIP MC90C采纳了Ottosen准则。它根据偏平面 包络线由三角形过渡为圆形的特点、应用薄膜比拟法:即在等边 三角形边框上蒙上一薄膜,承受均匀压力后薄膜鼓起,等高线的 形状由外向内的变化恰好相同.据此建立了二阶偏微分方程,求 解后转换得到以应力不变量表达的破坏准则式:
2、著名的古典强度理论包括:
①最大主拉应力理论(Rankine); ②最大主拉应变理论(Mariotto); ③最大剪应力理论(Tresca); ④统计平均剪应力理论(Von Mises); ⑤Mohr-Coulomb理论; ⑥Drucker-Prager理论。
共同特点:
针对某种特定材料而提出,对于解释材料破坏的内在原因和 规律有明确的理论(物理)观点,有相应的试验验证,破坏包 络面的几何形状简单,计算式简明,只含1个或2个参数,其值 易于标定。因而,它们应用于相适应的材料时,可在工程实践 中取得良好的效果。例如.Von Mises准则适用于塑性材料(如 软钢),在金属的塑性力学中应用最广;Mohr-Coulomb准则 反映了材料抗拉和抗压强度不等( ft<fc)的特点,适用于脆性 的土壤、岩石类材料,在岩土力学中广为应用。
破坏包络曲面的三维立体图既不便绘制,又不适于理解和应用,常改用拉 压子午面和偏平面上的平面图形来表示。 拉压子午面为静水压力轴与任一主应力轴(如图中的σ3轴)组成的平面, 同时通过另两个主应力轴( σ1 , σ2 )的等分线。此平面与破坏包络面的交
线,分别称为拉、压子午线。
θ =60o
1、拉子午线的应力条件为σ1 ≥ σ2 = σ3 ,线上特征强度点有单轴受拉 (ft,0,0)和二轴等压(0,-fcc,-fcc)在偏平 面上的夹角为θ =0o ; 2、压子午线的应力条件则为σ1 = σ2 ≥ σ3 ,线上有单轴受压(0,0,-fc )和二 轴等拉(ftt, ftt, 0),在偏平面上的夹角 θ =60o。 3、拉、压子午线与静水压力轴同交 于一点,即三轴等拉(fttt, fttt, fttt)。拉、 压子午线至静水压力轴的垂直距离 即为偏应力 rt 和 rc。
在偏平面上,包络线上一点至静水压力轴的距离称为偏应力 r。 偏应力在θ=0o 处最小(rt ),随θ角逐渐增大,至θ=60o 处为最大 (rc),故rt≤ rc 。
一些特殊应力状态的混凝土强度点,在破坏包络面上占有特定的 位置。从工程观点,混凝土沿各个方向的力学性能可看作相同,即 立方体试件的多轴强度只取决于应力比例 σ1:σ2:σ3,而与各应力 的作用方向X、Y、Z无关。例如: 混凝土的单轴抗压强度 fc 和抗拉强度 ft 不论作用在哪一个方向, 都有相等的强度值。在包络面各有3个点,分别位于3个坐标轴的负、 正方向;
③破坏曲线与等应力轴ξ有关。在ξ轴的正向,静水压力轴的拉端 封闭,顶点为三轴等拉应力状态;在ξ轴的负向,压端开口,不 与静水压力轴相交,破坏曲线的开口随ξ轴绝对值的增大而增大;
④子午线上各点的偏应力或 八面体剪应力值,随静水压
力或八面体正应力的代数值 的减小而单调增大,但斜率 渐减,有极限值;
⑤偏平面上的封闭曲线三折 对称,其形状随静水压力或
最终可统一用相对八面体强度( σ0 = σoct / fc和τ0= τoct / fc )表达, 经归纳得子午线方程的3种基本形式:
最终可统一用相对八面体强度( σ0 = σoct / fc和τ0= τoct / fc )表达,经归纳得子午线方程的3种基本形式:
wenku.baidu.com
0 A B 0 C 2 0 D E 0 F 0 0 G[ ( 0 )] H
拉子午线 θ=0o
-(σ1, σ2)
+σ3 等应力轴和一个主应力轴组成的平 面通过另两个主应力轴的等分线
将以上图形绕坐标原点逆时针方向旋转一角度(90o-α),得到以 静水压力轴(ξ)为横坐标、偏应力(r)为纵坐标的拉、压子午线。 于是,空间的破坏包络面改为由子午面和偏平面上的包络曲线 来表达。破坏面上任一点的直角坐标(fl , f2, f3 )改为由圆柱坐 标(ξ,r,θ)来表示,换算关系为: ( f1 f 2 f 3 ) / 3 3 oct
4.7破坏准则
4.7.1破坏包络面的形状及其表达
在主应力空间坐标系(σ1, σ2, σ3)中, 将试验中获得的混凝土 多轴强度(f1, f2, f3)的数据,逐个地标在主应力坐标空间,相
邻各点以光滑曲面相连,可得混凝土的破坏包络曲面。
-σ3 坐标轴的顺序 按右手螺旋法 则规定 σ2 α ξ -σ1 -(σ1, σ2) σ3 -σ2 σ1
破坏包络曲面与坐标平面的交线,即混凝土的二轴破坏包络线。
ft -fc
σ1
ftt ft
+(σ1, σ2)
σ1 σ2 σ1 σ2
-fc
σ2
fcc
在主应力空间中,与各坐标轴保持等距的各点连结成为静水 压力轴(即各点应力状态均满足:σ1=σ2=σ3)。 此轴必通过坐标原点,且与各坐标轴的夹角相等,均为
arc cos(1 / 3 )
根据试验结果绘制的拉、压子午线和偏平面包络线。
子午线按照偏平面夹角划分,试验点的θ=30~60o 分别列在横 坐标轴的上、下。
试验时测试θ=0o~60o的扇形 (其他的扇形是对称的)
偏平面包络线则以八面体应力值分段给出。图中曲线为混凝 土破坏准则的理论值。
根据国内外混凝土多轴强 度的大量试验资料分析,破 坏包络曲面的几何形状具有 如下特征: ①曲面连续、光滑、外凸; ②对静水压力轴三折对称, 当应力状态为静水应力与单 向拉应力叠加时,θ=0o,故 θ=0o的子午线称为受拉子午 线。如将单向拉应力换为压 应力,则相应于受压子午线, θ=60o。
J2 J2 I1 a 2 b 1 0 fc fc fc
1 1 1 当 30 ,即 cos3 0时 k1 cos[ cos (k 2 cos 3 )] r 3 1 1 o 当 30 ,即 cos3 0时 k1 cos[ cos (k 2 cos 3 )] 3 3
同理,混凝土的二轴等压(σ1=0,f2=f3=fcc)和等拉( σ3=0, f1=f2=ftt )强度 位于坐标平面内的两个坐标轴的等分线上,3个坐标面内各有一点;
混凝土的三轴等拉强度(fl=f2=f3=fttt )只有一点且落在静水压力轴的正方向。 对于任意应力比(fl≠f2≠f3)的三轴受压、受拉或拉/压应力状态,从工程观点考 虑混凝土的各向同性,可由坐标或主应力(fl,f2,f3 )值的轮换(破坏横截面三重 对称),在应力空间中各画出6个点,位于同一偏平面上,且夹角θ值相等。
八面体正应力值的减小,由 近似三角形(rt/rc≈0.5)逐渐 外凸饱满,过渡为一圆(rt/ rc=1)。
4.7.2破坏准则
将混凝土的破坏包络曲面用数学函数加以描述,作 为判定混凝土是否达到破坏状态或极限强度的条件, 称为破坏准则或强度准则。虽然它不属基于机理分析、
具有明确物理概念的强度理论,但它是大量试验结果 的总结,具有足够的计算准确性,对实际工程有重要 的指导意义。 1、分类: ①借用古典强度理论的观点和计算式; ②以混凝土多轴强度试验资料为基础的经验回归式; ③以包络曲面的几何形状特征为依据的纯数学推导式, 参数值由若干特征强度值标定。各个准则的表达方式 和简繁程度各异,适用范围和计算精度差别大,使用 时应认真选择。
静水压力轴上一点与坐 标原点的距离称为静水压 力(ξ);
静水压力轴
-σ3
σ2
α ξ
+(σ1, σ2) σ1
其值为3个主应力在静水 压力轴上的投影之和,故:
-σ1 -(σ1, σ2)
1 ( 1 2 3 ) / 3 I1 3 m 3 cot 3
σ3 -σ2
垂直于静水压力轴的平面为偏平面。
σ3
转换过 程归纳
ξ
o
3 oct
θ
ξ
静水应力
3 oct
r σ1 =σ2 = σ3 N σ2
σ1
圆柱坐标系及主应 力空间应力分解 σ 1 -σ3 偏斜应力 平面中矢 量的方向 σ2 偏平面 -σ1 P r θ N σ3
-σ3 σ1 -σ2
ξ,r,θ的几何表示 偏平面
压子午线 θ=60o rc rt
2 0
一些常用的、有代表性的混凝土破坏准则列于下表, 同时给出了原始表达式和统一表达式,可看到两者中 参数的互换关系。
过镇海、王传志、张秀琴等搜集了国内外大量的混 凝士多轴强度试验数据,与按上述准则计算的理论值 进行全面比较,根据三项标准: ①计算值与试验强度的相符程度; ②适用的应力范围宽窄; ③理论破坏包络面几何特征的合理性等加以评定。 所得结论为: 较好的准则:过—王、Ottosen和Podgorski准则; 一般的准则:Hsieh-Ting-Chen,Kotsovos, WillamWarnke准则; 较差准则:Bresler-Pister准则。 在结构的有限元分析中,可根据结构的应力范围和 准确度要求选用合理的混凝土破坏准则。
3、以混凝土多轴强度试验资料为基础的经验回归式
随试验数据的积累,许多研究人员提出了若干基于试验结果、 较为准确、但数学形式复杂的混凝土破坏准则。准则中一般需 要包含4~5个参数。
这些破坏准则的原始表达式中采用了不同的应力量作 为变量,分5种: ①主应力—fl , f2, f3 ; ②应力不变量—Il ,J2,J3 ; ③静水压力和偏应力—ξ , r,θ; ④八面体应力— σoct ,τoct ; ⑤平均应力—σm ,τm θ。 采用上述应力量致使准则的数学形式差别很大,不 便作深入对比分析。但这些应力量借助下列基本公式 可以很方便地互相变换:
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