混凝土真三轴力学性能试验与本构理论研究

发布时间：2020-05-07 01:08

【摘要】：混凝土是土木工程中应用最广泛的建筑材料之一,但由于混凝土材料的复杂性,关于混凝土研究的一些关键问题仍然没有得到完全解决,比如混凝土材料的本构关系以及混凝土结构的非线性分析。如何科学有效地反映混凝土结构在复杂应力状态下的受力全过程,如何利用对混凝土问题的科学认识来有效地设计和控制工程中混凝土结构的力学响应,仍是一个巨大挑战。本文对于混凝土的力学行为本质做出一些理论层面的初步探索,并利用MATLAB编写了关于混凝土屈服准则、本构关系与数据处理的程序,以及利用FORTRAN自定义混凝土本构模型并进行了ANSYS二次开发的工作,致力于将对混凝土问题的科学认识服务于工程实践。本文从试验研究、理论分析与数值模拟三个方面对混凝土在多轴应力状态下的力学性能展开研究,主要的研究工作如下:(1)探讨了基于规范的混凝土结构设计方法的主要不足之处,指出基于规范的结构分析方法在反映混凝土多轴应力状态下力学响应方面还有所欠缺;整理归纳了混凝土破坏准则的研究现状,包括古典强度理论、三参数破坏准则、四参数破坏准则以及五参数破坏准则;此外,还整理归纳了混凝土本构关系的研究现状,包括弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、流变学理论、内时理论、断裂力学理论与损伤力学理论。(2)对混凝土真三轴力学性能试验进行了详细介绍,包括混凝土配合比设计、试验工况设计、真三轴试验设备原理、试验过程等。开展了混凝土单轴受压、双轴受压、三轴受压以及劈裂试验,并对混凝土真三轴试验数据进行了整理分析。分析结果表明,对于多轴受压工况,混凝土试件的峰值应力随着其围压应力水平的增大而增大;但当混凝土试件的围压值超过混凝土的单轴受压线弹性极限强度时,峰值应力逐渐减小;此外,混凝土多轴受压强度值具有随机分布的特性。(3)针对在混凝土真三轴试验过程中,加载板与混凝土试件之间是否设置减摩垫层对混凝土强度影响的问题,利用大型通用有限元软件ANSYS进行接触非线性的数值模拟,数值模拟结果反映了设置减摩垫层的必要性。(4)介绍了应力空间中的屈服面特性,总结了主应力空间中混凝土破坏面的特点。提出改进的混凝土四参数破坏准则,通过对真三轴试验数据的回归分析来确定破坏准则函数表达式中的待定系数。建立了混凝土的硬化法则,并基于梯度下降算法拟合混凝土在主应力空间中的初始屈服面。(5)推导了各向异性增量模型的矩阵表达形式,基于增量塑性理论建立混凝土的塑性流动法则,基于损伤能释放率建立混凝土的损伤准则与损伤演化法则。采用算子分离算法建立混凝土在多轴应力状态下的本构模型。将数值模拟与真三轴试验得到的本构曲线进行对比分析,结果表明,混凝土本构理论曲线与试验曲线之间存在一定偏差,随着混凝土试件围压应力水平的增大,两条曲线的相关性越来越高且逐渐接近于重合。(6)基于弹塑性损伤力学理论,利用MATLAB开发混凝土本构模型的数值模拟程序。利用FORTRAN自定义混凝土本构模型,实现ANSYS的usermat用户子程序二次开发。引用文献中三点弯曲缺口梁的试验数据,将有限元计算结果与试验数据进行了对比分析。分析结果表明,混凝土结构的有限元分析存在应变局部化问题。在对模型局部进行单元属性修改并合理调整网格大小后,对于荷载-挠度曲线,在弹性阶段以及荷载峰值点附近,有限元计算结果与试验数据拟合较好;而在下降段,仍然存在较大偏差。
【图文】：

第一章 绪论 1 2 2 1, , 2 3 cos 3 0tf I J J I f (1其中，1I 为应力张量第一不变量；2J 为应力偏张量第二不变量。为了方便绘制三维立体图，又可采用柱坐标系将 Rankine 强度准则表述为如下形式 , , 2 cos 3 0tf f (1其中， 、 、 为柱坐标。利用 MATLAB 编制程序，绘制 Rankine 强度准则在主应力空间中的屈服面以及平面形态如图 1.1 所示。

(a) 屈服面形态 (b) 偏平面形态图 1.2 Tresca 强度准则从图 1.2 可以看出，Tresca 强度准则在主应力空间中的屈服面为与静水压力轴平的正六边形棱柱面，，该屈服面在偏平面上的投影为正六边形。（3）Von Mises 强度准则相比于 Tresca 强度准则仅考虑最大剪应力k，Von Mises 强度准则考虑了三个剪力。在主应力空间中，Von Mises 强度准则的数学表达式为：22 21 22 3 3 12 2 2k (1采用应力不变量可将 Von Mises 强度准则表述为如下形式： 2 2f J 3 J k 0(1亦可采用柱坐标系将 Von Mises 强度准则表述为如下形式：
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528

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本文编号：2652170