混凝土受压损伤本构模型研究
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II
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
crack cannot expand in concrete when the specimen is compressed and concrete can works in the ideally undamaged state. The result of cyclic loading experiment under ideal surrounding pressure shows that proper pressure ratio can prevent the expanding of crack. The relationship between stress and strain in this experiment is similar to the elastoplastic model of metal. The conclusions of these experiments have provided the foundation for the study in concrete damage constitutive relation. The compressive stress-strain relationship under ideally undamaged state was gained from the result of experiments. Combined with the existing constitutive relations, this paper establishes the damage evolution equation of concrete under uniaxial compression. Keywords: Concrete, Surrounding Pressure Ratio, Triaxial Compressive Experiment, Damage Constitutive Relation
合适的应力比可以阻止裂纹的开展
属的循环加卸载应力应变曲线
关键词 混凝土 围压应力比 三轴受压试验 损伤本构关系
I
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACT
Fracture mechanics and damage mechanics have been used in concrete constitutive relation in recent years. Researchers are trying to establish a perfect concrete constitutive model which can describes some special behaviors (such as cracking, strain softening, irreversible strain etc.) in material level. However, there are still several shortages for current researches, for instance, uncertainty of engineering application, complexity of formula parameters, shortage of experiment data, and so on. The research of concrete behavior showed explicitly that crack expanding in concrete is caused by lack of adhesion on the boundary between aggregate and mortar. Meanwhile, damage in concrete has the direct relation with cracks. According to the results of experiment investigation, surrounding pressure can confine crack expanding and improve compressive strength of concrete. Although there are many experiments under multiaxial stress states, most of the results mainly concern to the strength and failure criterion of concrete. No investigation about stress-strain curves with constant surrounding pressure ratio is carried out. Therefore, this paper has integrated damage mechanics conception and triaxial experiments, carried out 21 specimens of triaxial compressive experiments included monotonic and cyclic loading path, coming up the following conclusion. On the aspect of application to the concrete constitutive models, the constitutive models used in finite element programs are simple and applicable. Nevertheless, these programs are all based on the models in stress space, but neither on the plastic theory in strain space which can simulate the phenomena of strain softening nor on the basis of damage mechanics to reflect the failure mechanism of concrete. In order to resolve these problems, measures should be taken to further improve the models with damage mechanics. Through the generally triaxial compressive experiments under different surrounding pressure ratio, this paper investigated the influence of surrounding pressure ratio to the compressive stress-strain curve. Results of the experiment show that stress-strain curves of different groups are much close to the others before the strain reaches 0.012, which in that there is a little disparity between every group’s pressure ratios. In a state of proper pressure ratio, the curve of volume strain shows that the volume of specimen was still compressive before strain reached 0.012. Therefore the
重庆大学 硕士学位论文 混凝土受压损伤本构模型研究 姓名：李强 申请学位级别：硕士 专业：工程力学 指导教师：武建华 20060501
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
摘
近些年 发 人们将断裂
要
试图从材料层次出 软化 不 公式参数繁
损伤力学引入混凝土本构关系中
建Fra Baidu bibliotek一个较完善的混凝土本构关系
以真实地描述混凝土的开裂 工程应用背景不明确
其内部发生缓慢而复杂的化学反应硬化而成的 不可避免地会形成孔洞 土处于带裂缝工作状态
在荷载和变温等因素作用下
部分连接 形成宏观裂缝继续扩展 逐渐影响混凝土的力学性能和应力应变关系 大量研究 [1,2,3] 表明 混凝土的破坏过程是各种尺度损伤 微裂缝 的演化 发展和 累积所造成的 破坏了 现有混凝土本构关系主要基于成熟的经典弹塑性模型所建立的 在数学上较严格 但是与混凝土材料破坏机理不协调 而后者是由于骨料 塑性变形 弹塑性模型 塑性理论的最初提出是用 砂浆界面处微裂缝的产 连续介质损伤 采用损伤力 很少涉及诸如晶格位错等微观尺度上的组成结构变化 在荷载尚 未达到可使混凝土材料组分发生屈服或塑性流动之前 混凝土作为整体已经完全
可逆变形等特殊性能 杂 试验依据不足等
但已有研究存在不足
混凝土受压力学性能的研究已清楚表明 与砂浆的边界面粘结力不足所致 据已有试验研究 然三轴试验较多
混凝土裂缝的发展主要是由于骨料 根 虽 没有 提高混凝土的抗压强度 破坏准则
而混凝土的损伤与裂缝有着最直接的联系
围压可以限制混凝土裂缝的开展
但是主要是针对三轴情况下混凝土的强度 应变关系做出研究
具体针对不同围压应力比下的应力
为此 本文结合混凝土三轴试验以及损伤力学的基本概念 进行了 21 个不同 围压应力比 σ 1 : σ 2 : σ 3 = ( −α ) : (−α ) : (−1) (α = 0.00, 0.15, 0.18, 0.19, 0.20, 0.22) 作用下 的单调 单实用 循环加卸载受压的常规三轴试验 初步得出了以下结论 没有利用基于应变空间的塑 需要进一步改进 在混凝土本构模型应用方面 大型商业有限元程序中使用的本构关系较简 但这些软件仍是基于应力空间的本构关系 应变软化 现象 性理论准确模拟混凝土 反映混凝土的破坏机理 混凝土本构模型 本文通过定围压应力比情况的常规三轴试验 研究了围压应力比对混凝土 的受压应力 应变关系的影响规律 试验结果表明 在应变 0.012 之前阶段 由于 各组应力 应变曲线十分接近 与定围压情况明显不同 能够达 各组围压相差不大 也没有利用真正意义损伤力学理论来
来描述金属类材料的性质 从微观上看 金属与混凝土的变形机理有明显的差异 前者是由于多晶体位错的重新排列 生和集结 [4] 小 力学 CDM 所以经典意义上的 考虑到这个劣化过程 在混凝土非弹性变形中所占比例很
这对于模拟混凝土软化段有很多不足
在适当围压应力比条件下 体积应变曲线表明 轴向应变 0.012 之前阶段 试件仍处于压缩阶段 到理想 果说明了 验依据 根据试验结果 得到了混凝土 无损伤 的理想状态受压应力 结合现有混凝土单轴受压关系 得到了混凝土单轴受压损伤演化规律 应变关系 无损伤 此时可以认为混凝土试件受压时裂缝基本不发展 得到的应力 工作状态 理想围压应力比作用下的混凝土循环加卸载试验结 应变关系近似于金 本文试验为混凝土损伤本构关系的研究提供了试
III
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1 绪论
1.1 问题的提出和研究的意义
混凝土由于自身具有许多优点 强度高 耐久性好等特性 多相颗粒复合材料 中 是由水 可塑性 可就地取材 经济适用性强 抗压 成为土木工程中应用最为广泛的建筑材料 它是一种 水泥和粗细骨料按适当的比例配合 裂纹 分层等细观缺陷 经过一定时间 在混凝土制作浇注以及凝结过程 正由于诸多原因造成混凝 这些裂缝将会逐渐扩展并
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
crack cannot expand in concrete when the specimen is compressed and concrete can works in the ideally undamaged state. The result of cyclic loading experiment under ideal surrounding pressure shows that proper pressure ratio can prevent the expanding of crack. The relationship between stress and strain in this experiment is similar to the elastoplastic model of metal. The conclusions of these experiments have provided the foundation for the study in concrete damage constitutive relation. The compressive stress-strain relationship under ideally undamaged state was gained from the result of experiments. Combined with the existing constitutive relations, this paper establishes the damage evolution equation of concrete under uniaxial compression. Keywords: Concrete, Surrounding Pressure Ratio, Triaxial Compressive Experiment, Damage Constitutive Relation
合适的应力比可以阻止裂纹的开展
属的循环加卸载应力应变曲线
关键词 混凝土 围压应力比 三轴受压试验 损伤本构关系
I
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACT
Fracture mechanics and damage mechanics have been used in concrete constitutive relation in recent years. Researchers are trying to establish a perfect concrete constitutive model which can describes some special behaviors (such as cracking, strain softening, irreversible strain etc.) in material level. However, there are still several shortages for current researches, for instance, uncertainty of engineering application, complexity of formula parameters, shortage of experiment data, and so on. The research of concrete behavior showed explicitly that crack expanding in concrete is caused by lack of adhesion on the boundary between aggregate and mortar. Meanwhile, damage in concrete has the direct relation with cracks. According to the results of experiment investigation, surrounding pressure can confine crack expanding and improve compressive strength of concrete. Although there are many experiments under multiaxial stress states, most of the results mainly concern to the strength and failure criterion of concrete. No investigation about stress-strain curves with constant surrounding pressure ratio is carried out. Therefore, this paper has integrated damage mechanics conception and triaxial experiments, carried out 21 specimens of triaxial compressive experiments included monotonic and cyclic loading path, coming up the following conclusion. On the aspect of application to the concrete constitutive models, the constitutive models used in finite element programs are simple and applicable. Nevertheless, these programs are all based on the models in stress space, but neither on the plastic theory in strain space which can simulate the phenomena of strain softening nor on the basis of damage mechanics to reflect the failure mechanism of concrete. In order to resolve these problems, measures should be taken to further improve the models with damage mechanics. Through the generally triaxial compressive experiments under different surrounding pressure ratio, this paper investigated the influence of surrounding pressure ratio to the compressive stress-strain curve. Results of the experiment show that stress-strain curves of different groups are much close to the others before the strain reaches 0.012, which in that there is a little disparity between every group’s pressure ratios. In a state of proper pressure ratio, the curve of volume strain shows that the volume of specimen was still compressive before strain reached 0.012. Therefore the
重庆大学 硕士学位论文 混凝土受压损伤本构模型研究 姓名：李强 申请学位级别：硕士 专业：工程力学 指导教师：武建华 20060501
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
摘
近些年 发 人们将断裂
要
试图从材料层次出 软化 不 公式参数繁
损伤力学引入混凝土本构关系中
建Fra Baidu bibliotek一个较完善的混凝土本构关系
以真实地描述混凝土的开裂 工程应用背景不明确
其内部发生缓慢而复杂的化学反应硬化而成的 不可避免地会形成孔洞 土处于带裂缝工作状态
在荷载和变温等因素作用下
部分连接 形成宏观裂缝继续扩展 逐渐影响混凝土的力学性能和应力应变关系 大量研究 [1,2,3] 表明 混凝土的破坏过程是各种尺度损伤 微裂缝 的演化 发展和 累积所造成的 破坏了 现有混凝土本构关系主要基于成熟的经典弹塑性模型所建立的 在数学上较严格 但是与混凝土材料破坏机理不协调 而后者是由于骨料 塑性变形 弹塑性模型 塑性理论的最初提出是用 砂浆界面处微裂缝的产 连续介质损伤 采用损伤力 很少涉及诸如晶格位错等微观尺度上的组成结构变化 在荷载尚 未达到可使混凝土材料组分发生屈服或塑性流动之前 混凝土作为整体已经完全
可逆变形等特殊性能 杂 试验依据不足等
但已有研究存在不足
混凝土受压力学性能的研究已清楚表明 与砂浆的边界面粘结力不足所致 据已有试验研究 然三轴试验较多
混凝土裂缝的发展主要是由于骨料 根 虽 没有 提高混凝土的抗压强度 破坏准则
而混凝土的损伤与裂缝有着最直接的联系
围压可以限制混凝土裂缝的开展
但是主要是针对三轴情况下混凝土的强度 应变关系做出研究
具体针对不同围压应力比下的应力
为此 本文结合混凝土三轴试验以及损伤力学的基本概念 进行了 21 个不同 围压应力比 σ 1 : σ 2 : σ 3 = ( −α ) : (−α ) : (−1) (α = 0.00, 0.15, 0.18, 0.19, 0.20, 0.22) 作用下 的单调 单实用 循环加卸载受压的常规三轴试验 初步得出了以下结论 没有利用基于应变空间的塑 需要进一步改进 在混凝土本构模型应用方面 大型商业有限元程序中使用的本构关系较简 但这些软件仍是基于应力空间的本构关系 应变软化 现象 性理论准确模拟混凝土 反映混凝土的破坏机理 混凝土本构模型 本文通过定围压应力比情况的常规三轴试验 研究了围压应力比对混凝土 的受压应力 应变关系的影响规律 试验结果表明 在应变 0.012 之前阶段 由于 各组应力 应变曲线十分接近 与定围压情况明显不同 能够达 各组围压相差不大 也没有利用真正意义损伤力学理论来
来描述金属类材料的性质 从微观上看 金属与混凝土的变形机理有明显的差异 前者是由于多晶体位错的重新排列 生和集结 [4] 小 力学 CDM 所以经典意义上的 考虑到这个劣化过程 在混凝土非弹性变形中所占比例很
这对于模拟混凝土软化段有很多不足
在适当围压应力比条件下 体积应变曲线表明 轴向应变 0.012 之前阶段 试件仍处于压缩阶段 到理想 果说明了 验依据 根据试验结果 得到了混凝土 无损伤 的理想状态受压应力 结合现有混凝土单轴受压关系 得到了混凝土单轴受压损伤演化规律 应变关系 无损伤 此时可以认为混凝土试件受压时裂缝基本不发展 得到的应力 工作状态 理想围压应力比作用下的混凝土循环加卸载试验结 应变关系近似于金 本文试验为混凝土损伤本构关系的研究提供了试
III
重庆大学硕士学位论文
1 绪论
1 绪论
1.1 问题的提出和研究的意义
混凝土由于自身具有许多优点 强度高 耐久性好等特性 多相颗粒复合材料 中 是由水 可塑性 可就地取材 经济适用性强 抗压 成为土木工程中应用最为广泛的建筑材料 它是一种 水泥和粗细骨料按适当的比例配合 裂纹 分层等细观缺陷 经过一定时间 在混凝土制作浇注以及凝结过程 正由于诸多原因造成混凝 这些裂缝将会逐渐扩展并