CN111855975B - 一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，建立冻融塑性损伤模型，采用等效应力空间的弹塑性损伤模型与冻融混凝土标量损伤参数构建适用于混凝土的塑性‑损伤性能预测的冻融塑性损伤模型；利用冻融塑性损伤模型对约束混凝土性能进行预测；根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数。本发明能够更好地描述混凝土复杂的变形行为，能够有效确定实现约束混凝土性能预测的关键参数即混凝土断裂参数的获取，提高混凝土性能预测的准确度，有效反映试验中混凝土的刚度退化。
Description
技术领域
本发明属于混凝土检测技术领域，特别是涉及一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法。
背景技术
材料的本构关系是材料内部微观机理的宏观表现，是构件和结构进行承载力、变形分析的基础。材料的力学行为与材料类型密切相关，不同的材料需要采用不同的本构关系分析其力学响应。经典连续介质力学理论认为材料是连续的、均质的，在所考虑尺度上不包含任何微观结构、缺陷和孔洞等。弹性、弹塑性、粘塑性、粘弹性本构模型都属于经典连续介质理论。连续损伤力学理论考虑孔洞、微裂纹对材料力学性能的影响，其研究的对象为代表性体积单元，但仍认为材料宏观上是均质的。经典的连续损伤力学模型有Lemaitre模型和Gurson模型。
混凝土的变形属于复杂的非线性问题，一方面，细观尺度上微裂缝、微缺陷的萌生与扩展造成材料内部损伤，引起宏观的刚度退化；另一方面，细观机制上材料内部发生滑移，表现为宏观塑性流动。因此构建符合混凝土变形特征的本构关系需要考虑塑性流动与损伤演化两种机制。此外，混凝土的拉伸、压缩性质具有明显差异，这一方面在本构关系中也应体现。
国内外学者对混凝土在冻融作用下的性能劣化规律以及损伤机理取得了一定的科研成果，但仍然存在以下方面的不足：目前混凝土冻融作用下的性能劣化主要集中于质量损失、相对动弹性模量、抗压强度等，对冻融损伤混凝土的断裂性能研究很少。混凝土断裂参数对于判定混凝土裂纹萌生、扩展以及构件失效至关重要，因此冻融损伤下混凝土断裂性能退化规律的研究必不可少。混凝土软化模型普遍假定抗拉强度作为裂纹起始应力，这一假设的合理性以及确定裂纹起始应力的相关研究至今未见报道。由于混凝土的开裂对于混凝土结构的受力状态和耐久性具有重要影响，准确确定混凝土的开裂起始应力至关重要。材料的经典本构关系中，单一塑性模型不能反映试验中混凝土的刚度退化；单一损伤模型无法描述材料发生的不可恢复变形。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，能够更好地描述混凝土复杂的变形行为，能够有效确定实现约束混凝土性能预测的关键参数即混凝土断裂参数的获取，提高混凝土性能预测的准确度，有效反映试验中混凝土的刚度退化。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，包括步骤：
建立冻融塑性损伤模型，采用等效应力空间的弹塑性损伤模型与冻融混凝土标量损伤参数构建适用于混凝土的塑性-损伤性能预测的冻融塑性损伤模型；
利用冻融塑性损伤模型对约束混凝土性能进行预测；
根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数。
进一步的是，所述冻融混凝土标量损伤参数包括静水压对屈服的影响、压缩体积膨胀参数、拉伸性能和压缩性能参数；所述弹塑性损伤模型考虑损伤演化与塑性流动两种基本的材料非线性细观因素影响，基于不可逆热力学原理，根据损伤能释放率确定损伤准则和损伤内变量的演化，同时在有效应力空间内确定材料的塑性变形，建立所述弹塑性损伤模型。
进一步的是，在所述冻融塑性损伤模型中：基于静水压对屈服的影响，采用D-P型屈服准则，采用两个屈服函数，分别控制率无关塑性与率相关塑性两种塑性流动的发生；通过利用压缩体积膨胀参数，率无关和率相关非关联塑性流动准则，从而在模型中加入混凝土的剪胀效应；D-P准则屈服曲面光滑，便于塑性应变增量方向的计算，同时考虑了中主应力σ2与静水压力对屈服的影响，更加符合实际；通过拉伸性能和压缩性能参数获得损失演化规律和硬化演化规律。
进一步的是，由于所述冻融塑性损伤模型的塑性流动在等效应力空间建立，材料的屈服、硬化均与包含损伤的真实应力所对应的等效应力相关，所述损伤参数和硬化参数的确定需要在损伤程度确定的基础上进行计算。
进一步的是，根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数h0与μh，所述硬化参数的确定方法包括步骤：
对试件进行单轴压缩加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的屈服强度σY、弹性模量E；
确定每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；同时根据
计算该塑性变形下的有效应力，之后根据屈服方程求得塑性变形下的硬化变量h；
根据塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；计算塑性应变对应的硬化变量h，绘制硬化变量-塑性应变关系图，确定硬化参数h0；
根据硬化变量-塑性应变关系图，已知硬化变量h、塑性变形Δκ及对应的损伤增量Δh，根据公式
计算硬化参数μh；
计算不同硬化变量h对应的硬化参数μh，最后取其平均值作为最终获得的硬化参数。
进一步的是，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μt、μc。
进一步的是，确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μc的方法，包括步骤：
对试件进行单轴压缩加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的弹性模量E、每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；
根据计算得到的塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；
根据损伤变量-塑性应变关系图，已知损伤变量Dcn、塑性变形Δκ及对应的损伤增量ΔD，根据公式
计算损伤参数μc；
计算不同损伤变量Dcn对应的损伤参数μc，最后取其平均值作为最终获得的损伤参数。
进一步的是，确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μt的方法，包括步骤：
对试件进行单轴拉伸加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的弹性模量E、每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；
根据计算得到的塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；
根据损伤变量-塑性应变关系图，已知损伤变量Dtn、塑性变形Δκ及对应的损伤增量ΔD，根据公式
计算损伤参数μt；
计算不同损伤变量Dtn对应的损伤参数μt，最后取其平均值作为最终获得的损伤参数。
采用本技术方案的有益效果：
本发明通过建立冻融塑性损伤模型，采用等效应力空间的弹塑性损伤模型与冻融混凝土标量损伤参数构建适用于混凝土的塑性-损伤性能预测的冻融塑性损伤模型；利用冻融塑性损伤模型对约束混凝土性能进行预测；根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数。能够更好地描述混凝土复杂的变形行为，能够有效确定实现约束混凝土性能预测的关键参数，通过所获得的硬化参数和损伤参数，能够有效确定实现约束混凝土性能预测的关键参数即混凝土断裂参数的获取，提高混凝土性能预测的准确度，有效反映试验中混凝土的刚度退化。
附图说明
图1为本发明的一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法流程示意图；
图2为本发明实施例中实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法的联结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，包括步骤：
建立冻融塑性损伤模型，采用等效应力空间的弹塑性损伤模型与冻融混凝土标量损伤参数构建适用于混凝土的塑性-损伤性能预测的冻融塑性损伤模型；
利用冻融塑性损伤模型对约束混凝土性能进行预测；
根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数。
作为上述实施例的优化方案1，所述冻融混凝土标量损伤参数包括静水压对屈服的影响、压缩体积膨胀参数、拉伸性能和压缩性能参数；所述弹塑性损伤模型考虑损伤演化与塑性流动两种基本的材料非线性细观因素影响，基于不可逆热力学原理，根据损伤能释放率确定损伤准则和损伤内变量的演化，同时在有效应力空间内确定材料的塑性变形，建立所述弹塑性损伤模型。
在所述冻融塑性损伤模型中：基于静水压对屈服的影响，采用D-P型屈服准则，采用两个屈服函数，分别控制率无关塑性与率相关塑性两种塑性流动的发生；通过利用压缩体积膨胀参数，率无关和率相关非关联塑性流动准则，从而在模型中加入混凝土的剪胀效应；D-P准则屈服曲面光滑，便于塑性应变增量方向的计算，同时考虑了中主应力σ2与静水压力对屈服的影响，更加符合实际；通过拉伸性能和压缩性能参数获得损失演化规律和硬化演化规律。
作为上述实施例的优化方案2，由于所述冻融塑性损伤模型的塑性流动在等效应力空间建立，材料的屈服、硬化均与包含损伤的真实应力所对应的等效应力相关，所述损伤参数和硬化参数的确定需要在损伤程度确定的基础上进行计算。
根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数h0与μh，所述硬化参数的确定方法包括步骤：
对试件进行单轴压缩加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的屈服强度σY、弹性模量E；
确定每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；同时根据
计算该塑性变形下的有效应力，之后根据屈服方程求得塑性变形下的硬化变量h；
根据塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；计算塑性应变对应的硬化变量h，绘制硬化变量-塑性应变关系图，确定硬化参数h0；
根据硬化变量-塑性应变关系图，已知硬化变量h、塑性变形Δκ及对应的损伤增量Δh，根据公式
计算硬化参数μh；
计算不同硬化变量h对应的硬化参数μh，最后取其平均值作为最终获得的硬化参数。
其中，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μt、μc。
确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μc的方法，包括步骤：
对试件进行单轴压缩加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的弹性模量E、每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；
根据计算得到的塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；
根据损伤变量-塑性应变关系图，已知损伤变量Dcn、塑性变形Δκ及对应的损伤增量ΔD，根据公式
计算损伤参数μc；
计算不同损伤变量Dcn对应的损伤参数μc，最后取其平均值作为最终获得的损伤参数。
确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μt的方法，包括步骤：
对试件进行单轴拉伸加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的弹性模量E、每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；
根据计算得到的塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；
根据损伤变量-塑性应变关系图，已知损伤变量Dtn、塑性变形Δκ及对应的损伤增量ΔD，根据公式
计算损伤参数μt；
计算不同损伤变量Dtn对应的损伤参数μt，最后取其平均值作为最终获得的损伤参数。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，其特征在于，包括步骤：
建立冻融塑性损伤模型，采用等效应力空间的弹塑性损伤模型与冻融混凝土标量损伤参数构建适用于混凝土的塑性-损伤性能预测的冻融塑性损伤模型；
利用冻融塑性损伤模型对约束混凝土性能进行预测；
根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数，根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数；
由于所述冻融塑性损伤模型的塑性流动在等效应力空间建立，材料的屈服、硬化均与包含损伤的真实应力所对应的等效应力相关，所述损伤参数和硬化参数的确定需要在损伤程度确定的基础上进行计算；
根据混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的硬化参数h0与μh，所述硬化参数的确定方法包括步骤：
对试件进行单轴压缩加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的屈服强度σY、弹性模量E；
确定每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；同时根据
计算该塑性变形下的有效应力，之后根据屈服方程求得塑性变形下的硬化变量h；其中E0为弹性模量初始值；
根据塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；计算塑性应变对应的硬化变量h，绘制硬化变量-塑性应变关系图，确定硬化参数h0；
根据硬化变量-塑性应变关系图，已知硬化变量h、塑性变形Δκ及对应的损伤增量Δh，根据公式
计算硬化参数μh；
计算不同硬化变量h对应的硬化参数μh，最后取其平均值作为最终获得的硬化参数；
根据混凝土单轴拉伸加卸载试验和混凝土单轴压缩加卸载试验确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μt、μc；
确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μc的方法，包括步骤：
对试件进行单轴压缩加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的弹性模量E、每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；
根据计算得到的塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；
根据损伤变量-塑性应变关系图，已知损伤变量Dcn、塑性变形Δκ及对应的损伤增量ΔD，根据公式
计算损伤参数μc；
计算不同损伤变量Dcn对应的损伤参数μc，最后取其平均值作为最终获得的损伤参数；
确定所述冻融塑性损伤模型中的损伤参数μt的方法，包括步骤：
对试件进行单轴拉伸加卸载试验，得到混凝土的单轴压缩加卸载应力-应变曲线，确定未损伤材料的弹性模量E、每个卸载-加载循环n对应的损伤材料弹性模量En、卸载开始时的应力σ以及σ＝0时的塑性应变；
根据公式D＝1-En/E0，计算塑性变形对应的损伤变量D；
根据计算得到的塑性应变对应的损伤变量D，绘制损伤变量-塑性应变关系图；
根据损伤变量-塑性应变关系图，已知损伤变量Dtn、塑性变形Δκ及对应的损伤增量ΔD，根据公式
计算损伤参数μt；
计算不同损伤变量Dtn对应的损伤参数μt，最后取其平均值作为最终获得的损伤参数。
2.根据权利要求1所述的一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，其特征在于，所述冻融混凝土标量损伤参数包括静水压对屈服的影响、压缩体积膨胀参数、拉伸性能和压缩性能参数；所述弹塑性损伤模型考虑损伤演化与塑性流动两种基本的材料非线性细观因素影响，基于不可逆热力学原理，根据损伤能释放率确定损伤准则和损伤内变量的演化，同时在有效应力空间内确定材料的塑性变形，建立所述弹塑性损伤模型。
3.根据权利要求2所述的一种实现约束混凝土性能预测的关键参数确定方法，其特征在于，在所述冻融塑性损伤模型中：基于静水压对屈服的影响，采用D-P型屈服准则，采用两个屈服函数，分别控制率无关塑性与率相关塑性两种塑性流动的发生；通过利用压缩体积膨胀参数，率无关和率相关非关联塑性流动准则，从而在模型中加入混凝土的剪胀效应；通过拉伸性能和压缩性能参数获得损失演化规律和硬化演化规律。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111855975A (zh) | 2020-10-30 |
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