我国混凝土损伤本构关系的研究现状

我国混凝土损伤本构关系的研究现状

摘要：从弹性与塑性损伤、各向同性与各向异性损伤、静力与动力损伤、宏观唯象以及细观和微观损伤、局部化与非局部化损伤这5个不同侧重点考虑，归纳介绍了近几年来我国学者在混凝土损伤类本构关系领域研究的进展，并提出了自己的意见，对其发展方向进行了展望。

关键词：混凝土；损伤；本构关系；研究现状

引言

混凝土是现代建筑结构中运用最广泛的材料，它的破坏是由于材料内分布的微孔洞、微裂纹在荷载的作用下不断成核、扩展、贯通形成宏观裂纹，造成承载力下降导致的。要分析混凝土结构的受力特性，确保结构的可靠性，需要研究其微损伤的演化规律。

自1976年Dougill最早将损伤力学用于研究混凝土的受力性能以来，各种混凝土本构关系应运而生，不断发展。从最初的单轴受拉各向同性弹性损伤模型，到现在针对具体情况有侧重点的建立起得的各种不同的损伤模型。

本文从弹性与塑性损伤、各向同性与各向异性损伤、静力与动力损伤、宏观唯象以及细观和微观损伤、局部化与非局部化损伤这5个不同侧重点考虑，介绍了近几年来我国学者在混凝土损伤类本构关系领域研究的进展，并对其发展进行了展望。

1弹性与弹塑性损伤模型

混凝土是一种多相复杂的准脆性材料，在单轴或多轴压缩荷载作用下，混凝土表现出一定的塑性。混凝土损伤模型按照是否与塑性理论结合，可分为弹性损伤模型与弹塑性损伤模型。两者的区别主要在于，弹性损伤模型只考虑损伤对刚度的影响，弹塑性损伤模型考虑卸载时不可恢复的变形，卸载弹模不同，见图1。

图1循环加卸载实验的混凝土应力-应变曲线

相比而言，弹塑性模型能够更为准确的描述混凝土的损伤演化特性，因而更加受到学者们的关注，近年来有很大的发展。但由于弹塑性模型需要求解损伤与塑性耦合的复杂过程，计算复杂，参数众多，弹性损伤模型便于实际工程应用。

1.1弹性损伤模型

在损伤力学理论早期的发展过程中建立了一些经典的混凝土损伤模型，这些模型是在对金属损伤研究的基础上考虑混凝土类材料的特性发展而来的。Loland和Mazars的损伤模型都是参照实验得出的拉伸应力应变曲线，将曲线以应力峰值划为两端，分别用函数模拟。假设材料为各向同性弹性体，损伤也是各向同性，Loland假定应力峰值以前有效应力与应变关系，而峰值后有效应力为一常数。Mazars根据Terrien的混凝土单轴拉伸试验曲线，假定峰值应力前，应力应变曲线为直线，峰值应力后为下降段曲线。Sidoroff等人提出能量等价原理，并提出了损伤面的概念，损伤是在损伤阈值面上发生。Krajcinovic以Helmholtz自由能理论为基础，参照塑性力学方法引入了损伤面的概念，假设损伤演变速度的方向垂直于损伤面，导出了损伤本构方程及损伤演化方程[1]。

以上经典的弹性损伤模型均是在单调加载的情况下建立的，也未考虑混凝土的非线性。

李正在文献[2]中指出混凝土作为一种准脆性材料，混凝土的塑性变形主要发生在受压损伤较大情况下，而受拉损伤情况下，卸载后塑性应变很小，接近脆性。在地震作用下，混凝土结构主要发生受拉损伤，受压损伤程度较小。因此，弹性损伤模型对于一般精度要求的地震损伤分析也是具有适用性的。并对Faria和Oliver 等人所提出的混凝土损

伤模型在反复荷载作用下混凝土刚度恢复效应的方面做出了修正，得到了一种能够较合理地描述反复荷载作用下混凝土的受拉行为，且计算效率高、适用性好的材料模型。刘军[3]忽略了对非弹性变形，依据是热力学定律、内变量理论以及能量耗散原理建立一种相对简单的混凝土损伤本构模型，采用双标量损伤变量来描述混凝土的拉伸和压缩不等性、刚度及强度退化特性，通过分解自由能为体积和剪切两个部分来考虑单边效应，用一个附加的弹性率相关条件来考虑弹性的率敏感性，不仅考虑了混凝土的非线性，而且避免了弹塑性模型的不收敛问题。马怀发等[4]提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型。

1.2弹塑性损伤模型

弹塑性损伤模型主要分为三类：第一类是在塑性本构关系中引入损伤变量描述材料的刚度退化，损伤变量与塑性变形耦合；第二类将弹性和损伤耦合在一起，属于半解耦；第三类将弹性、塑性、损伤完全解耦考虑。

将损伤机制引入到本构关系中的方法也可分为三类：应变等效原理；能量等效方法；热力学内变量理论。

常晓林[5]用基于应变等价原理的标量损伤来描述混凝土的刚度退化，采用带拉断的Mohr-Coulomb 准则作为塑性损伤模型的屈服准则以及非关联的Durcker-Parager塑性势函数，在热力学和连续损伤理论的框架内建立损伤准则和损伤演化方程，提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型，这是一种用应变等效原理将损伤完全耦合在变形中的模型。

徐强[6]假设损伤阀值函数和屈服函数相同，拉压不耦合，且Helmeholtz比自由能与耗散势函数为Legendre变换，将损伤与应变耦合，利用能够反映混凝土拉压方向不同强度特性的Hsieh-Ting-Chen 四参数屈服函数，提出了一种只有一个未知参数新的混凝土弹塑性损伤本构模型，。

齐虎[7]将塑性变形作为一种整体效应考虑，采用经验表达式计算塑性变形，建立损伤准则时，假设损伤只影响弹性Helmholtz自由能，损伤能量释放率由修正后的弹性Helmholtz自由能导出，建立一个实用的弹塑性损伤本构模型。并将弹性Helmholtz自由能分解为应力球量部分和应力偏量部分，将其应力球量部分产生的损伤取为零以提高精度。这个模型在有效应力空间计算塑性应变以模拟不可逆塑性变形，而用损伤力学用来反映材料的刚度退化，将刚度退化的计算与塑性应变的计算解藕，属于一个半耦合的模型，改善了模型的计算准确度。

混凝土在压应力状态下的力学特征很大程度上取决于围压的大小, 随着围压的增加,混凝土存在从脆性到塑性的转变。张研[8]由热力学定律出发，定义塑性屈服函数、塑性流动准则和塑性强化函数，在Pietruszczak采用固定曲面形式屈服准则的启发下采用如下破坏准则：

()P

n

r r

q p C

F A

g P

θ

⎛⎫⎛⎫

-

=+=

⎪ ⎪

⎝⎭⎝⎭

(1) 提出了考虑围压状态的混凝土本构模型。

对于化学侵蚀作用下的混凝土，李荣涛[9]采用Oliver等提出的混凝土连续损伤模型，在已有的3参数Willam-Warnke 弹塑性屈服准则基础上，发展了考虑脱水和脱盐引起的化学塑性软化、塑性应变硬化/软化和吸力硬化的广义Willam-Warnke 弹塑性屈服准则，提出了一个用于模拟高温下混凝土化学塑性-损伤耦合本构行为的数值模型。

考虑黏塑性，混凝土材料是一种典型的率敏感材料，关于这一部分的损伤本构关系的进展将在动力损伤模型介绍。

2各项同性与各项异性损伤模型混凝土是拉压异性材料，且混凝土的破坏面表现为非均匀膨胀或收缩，理论上应采用张量形式来描述混损伤本构关系。但是，张量中的模型参数很难确定，而标量的参数较易游实验数据确定。

2.1各项同性损伤模型

通常意义上来说，假设材料是均匀的，损伤在各个方向的影响都是相同的，这类问题是各项同性损伤问题。然而对于混凝土材料不得不考虑它的拉、压异性，对于用不同的标量来分别描述不同情况下的损伤机制的模型，由于标量的使用，将其归于各项同性损伤模型。李杰[10]引入两组独立的分布参数分别表示单轴受拉和单轴受拉加载条件下的损伤演化。常晓林[5]采用拉伸损伤变量和剪切损伤变量两者标量来反映损伤对混凝土材料宏观力学