混凝土本构理论

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混凝土HJC动态本构模型的研究

混凝土HJC动态本构模型的研究

混凝土HJC动态本构模型的研究混凝土材料在结构工程中扮演着重要的角色,混凝土结构的本构模型研究对于设计和分析都非常关键。

本文将对混凝土HJC动态本构模型进行研究,并探讨其在结构动力学分析中的应用。

混凝土是一种非线性、各向异性材料,具有显著的本构特性。

传统的混凝土本构模型多以弹塑性本构模型为基础,忽略了混凝土的动态响应特性。

随着结构动力学的发展,研究者们意识到在动态载荷下混凝土的本构行为与静态载荷下存在着差异,因此提出了混凝土HJC动态本构模型。

混凝土HJC动态本构模型的基本原理是通过沿容积和形状的追踪来描述混凝土的动态形变和应力响应。

它既考虑了混凝土的非线性行为,又考虑了动态载荷的影响。

根据实验结果,HJC模型将混凝土分为三部分:平坦区、线性区和剩余区。

其中,平坦区是混凝土的初始刚度区域;线性区是混凝土的线性应力-应变关系区域;剩余区是混凝土的非线性行为区域。

通过这种分区,混凝土的动态本构行为可以更准确地描述。

对于HJC模型的参数确定,可以利用试验数据进行参数拟合。

常用的试验方法包括动态压缩试验、剪切试验和拉伸试验等。

通过这些试验可以获得混凝土在动态载荷下的应力-应变曲线,并进一步得到本构模型的参数。

另外,也可以借助于有限元方法进行模拟分析,通过与试验结果进行对比来验证模型的准确性。

混凝土HJC动态本构模型在结构动力学分析中的应用非常广泛。

例如,在地震工程中,结构的抗震性能评估需要考虑动态载荷下的材料本构特性,而HJC模型可以提供较为准确的混凝土响应。

此外,在爆炸冲击和车辆碰撞等动态载荷下,HJC模型也能够很好地模拟混凝土的变形和破坏过程。

因此,混凝土HJC动态本构模型对于结构抗震、安全和可靠性分析具有重要的意义。

总而言之,混凝土HJC动态本构模型的研究是混凝土结构分析的重要方向。

通过对混凝土的动态响应特性进行研究,可以更准确地模拟混凝土在动态载荷下的行为,并为结构设计、分析和抗震评估提供参考。

混凝土cdp本构

混凝土cdp本构

混凝土cdp本构混凝土是一种常见的建筑材料,具有良好的强度和耐久性。

在设计和分析混凝土结构时,混凝土的本构模型是非常重要的。

本文将介绍混凝土的本构模型之一——混凝土弹塑性本构模型(Concrete Damaged Plasticity Model,简称CDP)。

一、混凝土弹塑性本构模型的基本原理混凝土弹塑性本构模型是基于弹塑性力学理论开发的一种模型,用于描述混凝土在受力过程中的弹性和塑性行为。

该模型考虑了混凝土的弹性、损伤和塑性三个阶段,并能够准确地模拟混凝土在不同受力状态下的力学行为。

混凝土的弹性本构行为可以通过胡克定律来描述,即应力与应变之间的线性关系。

而混凝土的塑性本构行为则需要引入一些额外的参数来描述,如损伤变量、塑性应变等。

二、混凝土弹塑性本构模型的特点1. 考虑非线性行为:混凝土在受力过程中会出现非线性行为,如应力-应变曲线的非线性、弹塑性转变等。

CDP模型能够准确地描述这些非线性行为。

2. 考虑损伤效应:混凝土在受力过程中会发生损伤,即出现裂缝或破坏。

CDP模型通过引入损伤变量来描述混凝土的损伤过程,并能够准确地模拟混凝土的裂缝扩展和破坏。

3. 考虑三轴应力状态:混凝土在实际工程中往往会受到多向应力的作用,如拉压、剪切等。

CDP模型考虑了三轴应力状态下混凝土的力学行为,能够准确地模拟混凝土在不同应力状态下的响应。

4. 考虑温度效应:混凝土在受力过程中的温度变化也会对其力学性能产生影响。

CDP模型可以考虑温度效应,并通过引入温度参数来描述混凝土的热力学行为。

三、混凝土弹塑性本构模型的应用混凝土弹塑性本构模型在工程实践中应用广泛,特别是在大型混凝土结构的设计和分析中起到了重要的作用。

例如,在水坝工程中,为了准确地评估混凝土坝体的稳定性和安全性,需要使用CDP模型来模拟混凝土在洪水冲击和地震作用下的力学行为。

在桥梁、隧道、建筑物等混凝土结构的设计中,CDP模型也可以用于预测混凝土的变形和破坏,从而指导结构的设计和施工。

c60混凝土cdp本构计算

c60混凝土cdp本构计算

c60混凝土cdp本构计算C60混凝土CDP本构计算引言:C60混凝土是一种高性能混凝土,具有较高的抗压强度和耐久性。

在结构设计中,了解C60混凝土的本构关系对于准确预测结构行为至关重要。

本文将介绍C60混凝土的CDP本构计算方法,并详细讨论其计算原理、影响因素以及实际应用。

一、CDP本构计算原理CDP(Constitutive Damage Plasticity)本构理论是一种将材料的损伤和塑性行为耦合在一起考虑的本构模型。

在C60混凝土的CDP 本构计算中,通过定义损伤变量和塑性应变来描述材料的力学行为。

CDP本构模型包括两个主要的方程:动力学方程和损伤演化方程。

动力学方程描述材料的力学响应,损伤演化方程描述材料的损伤发展过程。

二、影响因素C60混凝土的CDP本构计算受多种因素影响,主要包括以下几个方面:1. 材料的本构参数:C60混凝土的本构参数包括弹性模量、屈服强度、损伤参数等。

这些参数的选择对于计算结果的准确性和可靠性具有重要影响。

2. 应变率效应:C60混凝土在不同应变率下的力学性能会有所变化。

因此,在CDP本构计算中需要考虑应变率效应,以获得更准确的计算结果。

3. 温度和湿度:温度和湿度对混凝土的物理性能和力学性能都有较大影响。

在CDP本构计算中,需要根据实际情况考虑温度和湿度对C60混凝土力学行为的影响。

三、实际应用C60混凝土的CDP本构计算在工程实践中具有广泛的应用。

通过对结构的本构计算,可以预测结构的力学行为和破坏模式,为结构设计和施工提供可靠的依据。

在实际应用中,CDP本构计算需要结合材料试验和数值模拟方法。

通过对C60混凝土试件进行拉伸、压缩、弯曲等试验,获取材料的本构参数。

然后,将这些参数输入到CDP本构模型中,进行数值模拟计算,得到结构的力学响应和变形情况。

四、总结C60混凝土的CDP本构计算是一种重要的工具,用于预测结构的力学行为和破坏模式。

通过了解C60混凝土的本构关系,可以提高结构设计的准确性和可靠性。

混凝土结构设计原理总结

混凝土结构设计原理总结

混凝土结构设计原理总结一、混凝土结构的材料特性1.混凝土材料的强度特性:混凝土是通过水泥、骨料、水以及外加剂等材料按一定比例混合而成的人工石材,具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度。

混凝土的强度特性是设计的基础,需要根据混凝土的等级、强度指标和设计要求进行选取。

2.混凝土的耐久性:混凝土材料在环境的长期作用下可能受到各种因素的侵害,如氯离子渗透、碳化、冻融循环等,这些因素会降低混凝土结构的使用寿命。

设计混凝土结构时需要考虑到混凝土的耐久性要求,采取相应的措施来保证结构的耐久性。

二、混凝土结构的力学性能1.混凝土的本构关系:混凝土在不同应力状态下的力学性质与应力之间的关系可以通过本构关系来描述。

弹性本构关系是指混凝土在小应变范围内的应力与应变之间的关系;塑性本构关系是指混凝土在超过其弹性阈值后的应力与应变之间的关系。

2.混凝土的受力方式:混凝土结构一般通过抗压和抗弯的方式来承受荷载,其中抗压受力是由混凝土的强度特性所决定,而抗弯受力是由混凝土的弹塑性本构关系和结构的几何形状所决定。

三、混凝土结构的受力原理1.平衡原理:混凝土结构在承受荷载时需要满足平衡条件,即外力的和等于内力的和。

平衡原理是设计混凝土结构的基础,可以通过受力分析和结构模型来满足平衡条件。

2.极限平衡原理:混凝土结构在设计过程中需要满足极限平衡条件,即在极限状态下结构的承载能力要大于荷载的作用。

极限平衡原理是基于结构的安全性设计的基础原则。

四、混凝土结构的设计要求1.结构的安全性:设计混凝土结构的首要要求是保证结构的安全性,即结构在规定荷载作用下不发生破坏,具有足够的承载能力和韧性。

2.结构的使用性能:设计混凝土结构时还需要考虑结构的使用性能,如结构的刚度、抗震性能、振动响应等。

这些性能要求会直接影响结构的正常使用和舒适性。

3.结构的经济性:设计混凝土结构时需要尽量节约材料,并使结构在整个使用寿命内的总体经济成本最低。

经济性是设计的重要指标之一,需要在满足安全性和使用性能的前提下进行综合考虑。

混凝土本构数据

混凝土本构数据

混凝土本构数据本文是一个混凝土本构数据文档模板范本,旨在提供一个详细的参考,以供使用。

以下是本文档的具体内容:一、引言在混凝土工程中,混凝土本构数据是指描述混凝土力学性能的数学模型和参数。

本文档将详细介绍混凝土本构数据的各个方面,包括弹性模量、抗压强度、抗拉强度等重要属性。

二、混凝土本构理论1. 弹性理论在弹性范围内,混凝土的应力-应变关系遵循胡克定律。

弹性模量是衡量混凝土刚度的重要参数,可以通过试验或计算得到。

2. 塑性理论当混凝土应力超出弹性范围时,会出现塑性变形。

混凝土的体积塑性应变和切线模量是塑性理论中的重要参数,可以通过试验或计算获得。

三、混凝土本构模型1. 线性弹性模型线性弹性模型是一种简化的模型,假设混凝土的应力-应变关系是线性的。

这个模型常用于简化分析和初步设计中。

2. 非线性本构模型非线性本构模型是一种更复杂的模型,能更准确地描述混凝土的力学性能。

常用的非线性本构模型有Drucker-Prager模型、Mohr-Coulomb模型等。

四、混凝土本构数据的获取方法1. 实验测试通过试验测试可以直接获得混凝土的本构数据。

常用的实验测试包括压缩试验、拉伸试验等。

2. 数学拟合通过建立数学模型,将试验数据进行拟合,可以得到混凝土的本构数据。

常用的数学拟合方法有最小二乘法、曲线拟合等。

五、混凝土本构数据的应用混凝土本构数据在结构力学分析、工程设计和施工过程中起着重要的作用。

合理选择和应用本构数据可以有效提高工程质量和安全性。

六、本文档所涉及附件如下:1. 实验数据记录表格:包括压缩试验数据、拉伸试验数据等。

2. 数学模型拟合结果:包括各种拟合方法得到的混凝土本构数据。

七、本文档所涉及的法律名词及注释:1. 弹性模量:材料在弹性变形范围内的刚度。

2. 抗压强度:材料能够承受的最大压缩应力。

3. 抗拉强度:材料能够承受的最大拉伸应力。

混凝土和土的本构方程

混凝土和土的本构方程

混凝土和土的本构方程
对于混凝土,常见的本构方程包括弹性模量和材料的强度参数。

弹性模量描述了混凝土在受力后的变形特性,而强度参数则描述了
混凝土在承受外力时的抗压、抗拉等能力。

混凝土的本构方程可以
根据线弹性理论或者非线性本构理论来建立,以描述混凝土在不同
受力状态下的应力-应变关系。

对于土壤,本构方程通常包括土的压缩模量、剪切模量和抗剪
强度等参数。

土壤的本构方程可以根据弹性理论、弹塑性理论或者
其他土体力学理论来建立,以描述土壤在受力后的变形和破坏特性。

需要注意的是,混凝土和土的本构方程是复杂的数学模型,需
要考虑材料的非线性、各向异性、孔隙结构等因素。

因此,建立准
确的本构方程需要充分考虑材料的特性和受力情况,通常需要进行
大量的实验和数值模拟来确定参数和验证模型的准确性。

总的来说,混凝土和土的本构方程是土木工程和岩土工程中非
常重要的理论基础,对于预测材料的变形和破坏行为具有重要的意义。

建立准确的本构方程有助于工程设计和结构分析,能够提高工
程的安全性和可靠性。

钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式共3篇

钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式共3篇

钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式共3篇钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式1钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式钢筋混凝土是建筑结构中广泛使用的材料之一。

在结构设计与分析过程中,了解钢筋混凝土的本构关系和有限元模式是十分重要的。

本文将从理论和实践两个层面介绍钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式。

一、理论基础1.1 本构关系本构关系是描述材料应力和应变之间关系的数学模型。

对于钢筋混凝土结构来说,其本构关系可以分为弹性和塑性两个阶段。

如图1所示,该曲线表现了材料的应变和应力之间的关系。

在开始阶段,钢筋混凝土材料表现出弹性行为,即在一定范围内,应变和应力呈线性关系,在这个范围内,应力的变化只取决于外力的变化。

当荷载增加时,材料进入塑性阶段,即出现残余变形,弹性不再适用。

此时,应变和应力的关系呈现非线性态势,应力会逐渐增大,直至材料失效。

图1 钢筋混凝土的本构关系曲线1.2 有限元分析有限元分析是一种近似解微分方程的数值分析方法。

该方法将问题分解成一个有限数量的小区域,在每个小区域内建立数学模型,通过连接小区域,组成总体的数学模型。

对于钢筋混凝土结构的有限元分析,可以采用三维有限元模型或二维\轴对称有限元模型等。

二、实践操作2.1 有限元模型的建立在进行有限元分析前,需要建立合适的有限元模型。

在钢筋混凝土结构的有限元分析中,通常采用ABAQUS、ANSYS软件进行模拟。

有限元模型的建立需要考虑结构的几何形状、材料特性、加载条件等,在模型建立的过程中需要进行模型分析和后处理,如应力监测、应变监测、变形量分析等。

2.2 本构关系的采用在建立有限元模型时需要设置材料弹性模量、泊松比、破坏应力等本构关系参数,这些参数可以通过试验数据和经验公式进行估算。

同时,基于实际结构的材料本身的特性和结构内力状态等影响因素,还需要考虑材料的非线性效应,包括弹塑性分析和的动力分析等。

三、应用现状在实际的建筑结构设计和分析中,钢筋混凝土结构的有限元分析被广泛采用,可以帮助工程师更加准确地预测材料的行为,并定位结构的破坏点及应急防御措施。

混凝土的本构关系简介及各受压应力应变全曲线比较

混凝土的本构关系简介及各受压应力应变全曲线比较

混凝土的本构关系简介及各受压应力应变全曲线比较一:学术风格正文:一、混凝土的本构关系简介混凝土是一种常用的结构材料,其力学性能的研究对于结构设计具有重要意义。

混凝土的本构关系是指材料的应力应变关系,描述了材料在受力作用下的变形行为。

混凝土的本构关系的研究有助于理解混凝土的力学性能,指导结构的设计与施工。

二、混凝土的受压应力应变全曲线比较1. 弹性阶段:混凝土在受力初期表现出线弹性行为,即应力与应变成正比关系。

这个阶段称为弹性阶段,其应力应变关系呈线性。

2. 塑性阶段:当混凝土受力达到一定程度时,开始出现非线性变形,应变的增加速度逐渐减缓。

这是由于混凝土内部的微观结构发生破坏,颗粒间的强度开始减小,导致整体应变增加。

3. 屈服阶段:当应力进一步增加,混凝土达到一定的应变时,开始出现明显的应力下降。

这个阶段称为屈服阶段,将塑性应变较小的一部分与显著的应力下降相连系。

此时,混凝土内部产生裂缝,并且裂缝的增长加速。

4. 破坏阶段:当应力继续增加,混凝土出现明显的破坏现象。

一般表现为裂缝的扩展、混凝土的脱层或破碎等。

此时,混凝土已经失去了承载能力。

附件:本文档涉及的附件包括混凝土本构关系的实验数据、各受压应力应变全曲线的比较图表等。

法律名词及注释:1. 本构关系:材料力学中,描述材料应力应变关系的数学模型。

2. 弹性阶段:材料在受力初期表现出线弹性行为,即应力与应变成正比关系的阶段。

3. 塑性阶段:材料在经历弹性阶段后出现非线性变形,应变的增加速度逐渐减缓的阶段。

4. 屈服阶段:材料在达到一定应变时出现明显的应力下降的阶段。

5. 破坏阶段:材料在经历屈服阶段后出现明显的破坏现象,失去承载能力的阶段。

二:商务风格正文:一、混凝土的本构关系简介混凝土是一种广泛应用于建筑工程中的材料,对于了解混凝土的力学性能具有重要意义。

混凝土的本构关系是指材料在受力作用下的应力应变关系,是研究混凝土力学性能的基础。

二、混凝土的受压应力应变全曲线比较1. 弹性阶段:在混凝土的受力初期,材料表现出弹性行为,即应力与应变成正比关系。

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1.结构的非线性内力和变形混凝土不是一种线弹性材料,其应力和应变的曲线关系已是不争的事实。

规范50010-2002中给出了混凝土应力-应变的唯一关系,即常值的弹性(变形)模量(Ec)。

它只能用以分析结构在弹性阶段的内力和变形。

但是,混凝土基本构件在荷载作用下相继发生的受拉区混凝土开裂、裂缝的扩张和延伸。

压区混凝土塑性变形、截面中和轴漂移、受压和受拉钢筋屈服、混凝土达到抗压强度后的应力下降、……等一系列现象所引发的构件非线性变形和各种损伤破坏过程,都无法由单一的弹性模量值求解。

超静定结构则因混凝土的塑性变形和受拉开裂,改变了构件的截面刚度而引发内力重分布;钢筋屈服后,构件的局部形成塑性铰、又产生更剧烈的内力重分布。

一些抗震和抗暴结构还需掌握结构达到最大承载力以后、变形继续增长时的残余承载力下降规律。

特别重要的二、三维结构,如核反应堆压力容器和高大水坝,只用线弹性分析其应力状态,尚不足充分保证其使用期限内的安全性和适用性,还需要了解混凝土的受压非弹性变形或受拉开裂后的内(应)力、变形和裂缝的状况。

所有这些混凝土结构的受力性能变化全过程,只有通过非线性方法的逐步分析才能获得。

为此要求建立多种准确、合理的非线性本构关系,包括混凝土的多轴应力-应变关系。

如今,混凝土结构的应用领域不断扩展,各种结构的体形和受力状况更加复杂,进行结构非线性分析的要求更为迫切。

2.本构关系的概念一切结构的力学分析,例如杆系结构的内力和变形分析,二、三维结构的应力和变形分析,以及构件的截面承载力和正常使用阶段性能的分析等,都必须使用和满足三类基本方程,即力学平衡式、变形协调条件和本构关系。

其中第一类方程,无论是结构的整体或局部、静力或动力荷载的作用、分析的准确解或近似解都必须满足。

第二类是几何或机动方程,可根据结构的变形特点、边界状况和要求的计算精度等,准确地或从宏观上近似地满足。

第三类则是联系前二者,即力和变形间的物理方程,例如材料的应力-应变(σ-ε、τ-ε)或构件截面的弯矩-曲率、轴力-伸长(缩短)、扭矩-转角,……之间的关系等,统称为本构关系。

各种材料的、不同形式和体系的结构,在力学分析时所用的前二类方程原则相同、数学形式相近,而本构关系可有很大差别。

例如,本构关系有弹塑性、塑性的,还有与时间相关的黏弹性、黏塑性的,与温度相关的热弹性。

热塑性的,……等等。

每一种特定的本构关系都可发展成为一个相对独立的力学分支,如弹性力学、塑性力学、黏弹(塑)性力学,热弹(塑)性力学等。

近期发展的断裂力学、损伤力学等,也各有相应的本构关系。

由于本构关系的不同,这些力学分支各有独特的分析思路和求解方法,并获得相应的计算结果。

有限元方法和计算机技术的发展为混凝土结构和构件的非线性分析创建了便利条件。

任何类型、体系和受力状况的结构或其局部都可依靠非线性分析方法求解。

但是,计算结果的可靠性和准确度主要取决于所采用的钢筋混凝土各项非线性本构关系是否准确、合理。

因此,建立或选择本构关系是结构非线性分析的关键问题,成为近20年混凝土结构的一个重要研究方向。

确定了合适的本构关系、进行非线性的全过程分析,有可能改变目前的钢筋混凝土结构的内力弹性分析和截面承载力经验性计算等不尽理想的景况,走向更完善、准确的理论解方向。

3.非线性分析中的各种本构关系结构分析时,无论采用解析法和有限元法都要将整体结构离散化、分解成各种计算单元。

例如二、三维结构的解析法取为二维或三维应力状态的点(微体),有限元法取为形状和尺寸不同的块体;杆系结构可取为各杆件的截面、或其一段、或全长;结构整体分析可取其局部,如高层建筑的一层作为基本计算单元;因此,本构关系可建立在结构的不同层次和分析尺度上,当然最基本的材料-点的应力-应变关系,由此决定或推导其他各种本构关系。

各种决算单元的本构关系一般是以标准条件下,即常温下短时一次加载试验的测定值为基础确定的。

当结构的环境和受力条件变化时,如反复加卸载、动载、荷载长期作用或高速冲击作用、高温或低温状况、……等,混凝土的性能和本构关系随之有不同程度的变化、必须进行相应修正,甚至重新建立专门的本构关系。

所以,钢筋混凝土非线性本构关系的内容非常丰富,试验和理论研究也有一定难度。

经过各国研究人员的多年努力,本构关系的研究已在宽广的领域内取得了大量成果,其中比较重要和常用的本构关系有:●混凝土的单轴受压和受拉应力-应变关系;●混凝土的多轴强度(破坏准则)和应力-应变关系;●多种环境和受力条件下的混凝土应力-应变关系,包括受压卸载和再加载,压拉反复加卸载,多次重复荷载(疲劳),快速(毫秒或微秒级)加载和变形,高温(>100℃)和低温(<℃)状况下的加卸载,……;●与时间有关的混凝土受力性能,如定应力或变应力作用下的徐变(松弛)、收缩、……;●混凝土受拉开裂后,沿裂缝面有骨料咬合作用;与裂缝相交的钢筋,纵向有受拉刚化效应,横向有销栓作用;●横向约束混凝土,包括螺旋箍筋、矩形箍筋和钢管混凝土等的应力-应变关系;●构件(截面)在单调荷载作用下的弯矩-曲率关系,在(地震)反复荷载作用下的弯矩-曲率恢复力模型;●二维和三维钢筋混凝土有限元的各种本构关系,如分离式、组合式或整体式模型,以及钢筋和混凝土界面的联结单元模型,……;4.确定本构关系(模型)的方法结构分析中所需的某种计算单元的本构关系,研究人员可通过试验的、理论的、或半经验半理论的方法,建立多种具体的本构模型。

例如,混凝土的多轴(应力-应变)关系可分作线弹性、非线(性)弹性、塑性理论或其他力学理论为基础的多种模型。

其中较实用的非线(性)弹性模型,又细分为各向同性、正交异性核各向异性类,同一类中又有数种不同的具体数学模型。

同一种本构关系出现多种不同的具体模型,且形式有繁有简,或精或粗,相差悬殊,其计算结果也不尽相同。

这种情况即因为混凝土材性的复杂多变和离散性较大,也反映了研究者学术观点和研究方法的不同。

许多模型各有利弊和适用范围,难以求得统一。

因此,在设计和分析结构时应选择合适和适用的本构模型。

确定本构模型有三种方法:(1)用结构工程相同的混凝土材料,专门制作足量的试件、通过试验测定和分析后确定;(2)选定适合该结构的合理本构模型形式,其数学表达式中所需的参数值由少量试验加以标定;(3)径直采用经过试验验证或工程经验证明可行的具体本构(数学)模型。

为了保证本构关系的可靠性,这些方法按优选次序进行排列。

由于混凝土大量地采用地方性材料,施工制作工艺合质量控制水平出入较大,使混凝土地实际力学性能有较大的变异性和离散度。

结构分析所需的各项本构关系应根据建筑物的重要性、结构体系的类型、要求的计算精度、实际施工水平,和具备的试验条件等慎重地加以选择。

混凝土材性的基本特点混凝土材料的特殊组成和构造,导致其力学性能的复杂多变,具有下述基本特点:(1)复杂的微观内应力、变形和裂缝状态在混凝土的凝固过程中,水泥因水化作用在表面形成凝胶体,水泥砂浆逐变稠和硬化,与粗骨料粘结成整体。

在此过程中,水泥砂浆的失水收缩变形远大于粗骨料的相应变形。

此收缩变形差使粗骨料受压、沙井受拉,以及其他的应力分布。

这一应力场在截面上的合力为零,但局部应力可能很大,常使骨料界面产生微裂缝。

粗骨料和水泥砂浆的热工性能(如膨胀系数)又有差别。

当混凝土中水泥产生的水化热或环境温度变化时,二者的温度变形差受到相互约束而形成温度应力场。

更因为混凝土是热惰性材料、温度梯度大而增大了温度应力值。

当混凝土承受外力作用时,即使作用的应力均匀分布,混凝土内部也将产生不均匀的微观空间应力场,取决于粗骨料和水泥砂浆的面(体)积比、形状、排列和弹性模量,以及界面的接触条件等。

在应力的长期作用,二者的徐变差又使混凝土内部发生应力重分布、粗骨料将承受更大的压应力。

混凝土内部有不可避免的初始气孔和裂缝,其尖端附近因收缩、温度变化或应力作用将会产生局部的应力集中区,应力分布的变化更大,应力值更高。

所有这些都说明:从微观上分析,混凝土在承受荷载之前,就已存在复杂的三维应力、应变和裂缝装态,受力后更有剧烈的变化,对于混凝土的宏观力学性能,如开裂、裂缝扩展、变形、极限强度和破坏形态等,都有重大影响。

(2)变形的多元组成混凝土在承受应力作用时或环境条件改变时都将产生相应的变形。

从混凝土的组成和构造特点分析,其变形值有三部分组成:骨料的弹性变形——占混凝土体积绝大部分的石子和砂,本身的强度和弹性模量均比其组成的混凝土高出许多。

即使混凝土达到极限强度值时,骨料并不破碎、变形仍在弹性范围以内,即变形与应力成正比,且卸载后变形可全部恢复、不留残余变形。

水泥凝胶体的粘性流动——水泥经水化作用后生成的凝胶体,在应力作用下除了即时产生的变形外,还将随时间产生的延续而发生缓慢的粘性流动,使混凝土的变形继续增长。

当应力解除后,这部分变形一般不能恢复,混凝土存在残余变形。

裂缝的形成与扩展——在拉应力作用下,混凝土沿应力的垂直方向发生裂缝,裂缝存在于粗骨料的界面和砂浆内部,裂缝的不断形成和扩展,使拉应变很快增长。

在压应力作用下,混凝土大致沿应力的平行方向发生纵向劈裂裂缝,穿过粗骨料的界面和砂浆的内部。

这些裂缝的增多、延伸、扩展和相连,将混凝土肢解成多个小柱体,纵向变形增大。

在应力超过峰值,进入下降段后,变形仍继续增长,且应力解除后大部分变形不能恢复。

后两部分变形部分,不与混凝土的应力成比例变化,且随时间而继续增长、卸载后大部分不能恢复,一般统称为塑性变形。

不同原材料和组成的混凝土,在不同的应力阶段,这三部分变形所占比例有很大变化。

当应力较低时,总变形很小,骨料的弹性变形占主要部分;随着应力的增大,水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐增加;接近混凝土的极限强度时,裂缝的变形才显著表露,但其数值大、很快就超过其他变形部分;在应力峰值之后,随着应力的下降,骨料的弹性变形逐渐恢复,水泥凝胶体的流动减缓,而裂缝的变形却继续增大。

(3)应力状态和途径的影响混凝土单轴抗拉和抗压强度的比值约为1:10,相应的峰值应变的比值约为1:20,都相差一个数量级。

两者的破坏(裂缝)形态也有根本区别。

这与钢、木等结构材料的拉、压强度和变形值接近的情况显然不同。

混凝土在多轴应力状态下的强度、变形和破坏形态等有更大的变化范围;多轴应力的不同作用途径,改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件,混凝土有不同的力学性能;存在横向和纵向应力(变)梯度的情况下,混凝土的强度和变形值也将变化;荷载(应力)的重复加卸载和反复作用下,混凝土将产生变形滞后、刚度退化和残余变形等现象;……。

混凝土因应力状态和途径的不同而引起力学性能的差异,当然是其材料特性和内部微结构所决定的。

材性的差异足以对构件和结构的力学性能造成重大影响,在实际工程中应予重视和分别处理。

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