【摘要】：混凝土是土木工程中應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一,但由于混凝土材料的復(fù)雜性,關(guān)于混凝土研究的一些關(guān)鍵問題仍然沒有得到完全解決,比如混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系以及混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析。如何科學(xué)有效地反映混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力全過程,如何利用對(duì)混凝土問題的科學(xué)認(rèn)識(shí)來有效地設(shè)計(jì)和控制工程中混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。本文對(duì)于混凝土的力學(xué)行為本質(zhì)做出一些理論層面的初步探索,并利用MATLAB編寫了關(guān)于混凝土屈服準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系與數(shù)據(jù)處理的程序,以及利用FORTRAN自定義混凝土本構(gòu)模型并進(jìn)行了ANSYS二次開發(fā)的工作,致力于將對(duì)混凝土問題的科學(xué)認(rèn)識(shí)服務(wù)于工程實(shí)踐。本文從試驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值模擬三個(gè)方面對(duì)混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能展開研究,主要的研究工作如下:(1)探討了基于規(guī)范的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的主要不足之處,指出基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)分析方法在反映混凝土多軸應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)響應(yīng)方面還有所欠缺;整理歸納了混凝土破壞準(zhǔn)則的研究現(xiàn)狀,包括古典強(qiáng)度理論、三參數(shù)破壞準(zhǔn)則、四參數(shù)破壞準(zhǔn)則以及五參數(shù)破壞準(zhǔn)則;此外,還整理歸納了混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究現(xiàn)狀,包括彈性理論、非線性彈性理論、彈塑性理論、流變學(xué)理論、內(nèi)時(shí)理論、斷裂力學(xué)理論與損傷力學(xué)理論。(2)對(duì)混凝土真三軸力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,包括混凝土配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)、真三軸試驗(yàn)設(shè)備原理、試驗(yàn)過程等。開展了混凝土單軸受壓、雙軸受壓、三軸受壓以及劈裂試驗(yàn),并對(duì)混凝土真三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析。分析結(jié)果表明,對(duì)于多軸受壓工況,混凝土試件的峰值應(yīng)力隨著其圍壓應(yīng)力水平的增大而增大;但當(dāng)混凝土試件的圍壓值超過混凝土的單軸受壓線彈性極限強(qiáng)度時(shí),峰值應(yīng)力逐漸減小;此外,混凝土多軸受壓強(qiáng)度值具有隨機(jī)分布的特性。(3)針對(duì)在混凝土真三軸試驗(yàn)過程中,加載板與混凝土試件之間是否設(shè)置減摩墊層對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的問題,利用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行接觸非線性的數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果反映了設(shè)置減摩墊層的必要性。(4)介紹了應(yīng)力空間中的屈服面特性,總結(jié)了主應(yīng)力空間中混凝土破壞面的特點(diǎn)。提出改進(jìn)的混凝土四參數(shù)破壞準(zhǔn)則,通過對(duì)真三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析來確定破壞準(zhǔn)則函數(shù)表達(dá)式中的待定系數(shù)。建立了混凝土的硬化法則,并基于梯度下降算法擬合混凝土在主應(yīng)力空間中的初始屈服面。(5)推導(dǎo)了各向異性增量模型的矩陣表達(dá)形式,基于增量塑性理論建立混凝土的塑性流動(dòng)法則,基于損傷能釋放率建立混凝土的損傷準(zhǔn)則與損傷演化法則。采用算子分離算法建立混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)模型。將數(shù)值模擬與真三軸試驗(yàn)得到的本構(gòu)曲線進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,混凝土本構(gòu)理論曲線與試驗(yàn)曲線之間存在一定偏差,隨著混凝土試件圍壓應(yīng)力水平的增大,兩條曲線的相關(guān)性越來越高且逐漸接近于重合。(6)基于彈塑性損傷力學(xué)理論,利用MATLAB開發(fā)混凝土本構(gòu)模型的數(shù)值模擬程序。利用FORTRAN自定義混凝土本構(gòu)模型,實(shí)現(xiàn)ANSYS的usermat用戶子程序二次開發(fā)。引用文獻(xiàn)中三點(diǎn)彎曲缺口梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù),將有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明,混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析存在應(yīng)變局部化問題。在對(duì)模型局部進(jìn)行單元屬性修改并合理調(diào)整網(wǎng)格大小后,對(duì)于荷載-撓度曲線,在彈性階段以及荷載峰值點(diǎn)附近,有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好;而在下降段,仍然存在較大偏差。
【圖文】：

第一章 緒論 1 2 2 1, , 2 3 cos 3 0tf I J J I f (1其中，1I 為應(yīng)力張量第一不變量；2J 為應(yīng)力偏張量第二不變量。為了方便繪制三維立體圖，又可采用柱坐標(biāo)系將 Rankine 強(qiáng)度準(zhǔn)則表述為如下形式 , , 2 cos 3 0tf f (1其中， 、 、 為柱坐標(biāo)。利用 MATLAB 編制程序，繪制 Rankine 強(qiáng)度準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間中的屈服面以及平面形態(tài)如圖 1.1 所示。

(a) 屈服面形態(tài) (b) 偏平面形態(tài)圖 1.2 Tresca 強(qiáng)度準(zhǔn)則從圖 1.2 可以看出，Tresca 強(qiáng)度準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間中的屈服面為與靜水壓力軸平的正六邊形棱柱面，，該屈服面在偏平面上的投影為正六邊形。（3）Von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則相比于 Tresca 強(qiáng)度準(zhǔn)則僅考慮最大剪應(yīng)力k，Von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則考慮了三個(gè)剪力。在主應(yīng)力空間中，Von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：22 21 22 3 3 12 2 2k (1采用應(yīng)力不變量可將 Von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則表述為如下形式： 2 2f J 3 J k 0(1亦可采用柱坐標(biāo)系將 Von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則表述為如下形式：
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU528

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本文編號(hào)：2652170