c30混凝土本构关系
混凝土本构关系研究综述
混凝土本构关系研究综述混凝土本构关系综述黄永胜（广州大学土木工程学院）摘要：现有的混凝土本构模型主要是基于成熟的弹性力学、塑性力学和固体力学建立的。
其模型在数学上比较严格，但是与混凝土材料的破坏机理不相吻合，各国学者针对混凝土的不同性质和最新的力学研究成果提出了与新兴学科交叉的本构模型。
本综述系统对混凝土的几个经典的本构模型进行简要的介绍和对比，并对以后的发展趋势阐述了一些自己的看法，为混凝土本构模型的研究提供思路。
关键词：混凝土；本构模型；力学THE REVIIEW OF CONCRETE CONSTITUTIVE RELATIONHuang Yongsheng(School Of Civil Engineering,Guangzhou University)Abstract:Existing concrete constitutive model is mainly based on the mature of elastic mechanics,plasticity mechanics and solid mechanics.It is accurate in mathematics ,but do not coincide with the destruction mechanism of concrete material.So base on different character and the latest research results of concrete , the constitutive model with the emerging interdisciplinary was proposed by scholars and professionals in many countries .This reviews briefly introducing and comparing the several classic constitutive model of concrete on system.Providing a ideas for the research of constitutive model of concrete .Keywords:concrete; constitutive model. mechanics1引言。
混凝土本构关系研究进展及发展趋势
0 引言混凝土作为土建施工主导型材料，在隧道、桥梁、工业与民用建筑等各类工程中发挥着重要作用。
作为一种胶凝材料，不同组分的固有性质、配合比及固液气三相之间物理化学反应，使得混凝土材料类型多样。
混凝土内部含有大量的微裂缝和微空洞，使其具有非线性、随机性等力学行为特点，与可作为均质体假定的金属材料物理力学性质有较大不同。
应用过程中混凝土强度与适宜性的误差主要来源于对混凝土应力应变行为（即本构关系）认识不到位。
本构关系的研究一直是混凝土材料基础理论科学的研究重点，已发展形成了多种理论本构模型，如弹性力学本构关系、塑性力学本构关系、断裂力学本构关系、损伤力学本构关系，以及针对高温、低温等特定环境下的本构关系。
上述本构关系又可分为弹性与弹塑性、细观与宏观、确定性与随机性等类型，虽然研究成果百花齐放，但也反映出既有本构关系适用性差、对受力行为预测误差大等缺点。
在前人研究成果的基础上[1-11]，对混凝土的本构研究成果进行分类概括梳理，评述各种理论的特点，并提出有待解决的关键问题及发展趋势。
1 研究现状及评述国内外对于混凝土本构关系的研究可分为基于试验建立的本构关系和基于理论建立的本构关系2种，后者又可分为基于弹性理论、塑性理论、断裂力学理论、损伤理论、内蕴时间理论、人工智能神经网络理论等。
基金项目：国家自然科学基金委员会-中国铁路总公司高速铁路 基础研究联合基金项目（U1434211）第一作者：马伟斌（1977—），男，研究员，博士。
混凝土本构关系研究进展及发展趋势马伟斌，王志伟，张千里，杜晓燕（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）摘 要：对混凝土本构关系的发展、沿革、应用及存在的问题进行梳理和评述，概括分析各类本构关系具有代表性的研究成果。
研究指出混凝土本构关系研究在试验技术、理论研究、学科交叉等方面存在的关键科学问题；从学科融合、监测检测技术手段发展等方面对本构关系的发展指出了研究方向；阐明损伤力学本构与人工智能神经网络技术本构具有广阔发展前景；指出特殊环境下专门性本构模型有待进一步深入研究。
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。
混凝土本构数据
0.025
3.64E+08
0.024693
0.022873238
3.75E+08
0.035
3.88E+08
0.034401
0.032460802
3.95E+08
0.00207
24851336
0.002068
0.001304784
22800000
0.00234
22853352
0.002337
0.001635728
20000000
0.00271
20054200
0.002706
0.00209095
17400000
0.0031
17453940
0.003095
0.00255982
0.00497
9446718
0.004958
0.004659278
7400000
0.00614
7445436
0.006121
0.005886306
5400000
0.0081
5443740
0.008067
0.007895943
3400000
0.01227
3441718
0.012195
0.012087397
660000
0.000404
660266.5
0.000403718
0.000381718
440000
0.000668
440294
0.000667877
0.00065321
210000
0.001816
210381.4
0.001814353
混凝土多轴强度和本构关系的应用
4
针对二维、三维结构的设计或验算，新规范中 提供了混凝土的破坏准则公式，即：
2021/3/11
5
这一准则适用于各种二轴和三轴拉一压 应力组合的任意状态, 绘出的二轴包络图和 三轴强度图都呈曲线形。应用此破坏准则验 算混凝土结构多轴强度的优点是：计算强度 值与试验数据相符较好；反映了第二主应力。 的影响；各种应力状态采用了统一的计算, 有利于编成子程序在计算机中应用。
2021/3/11
3
在实际的结构工程中, 经常遇到双向板、剪力 墙、深梁、厚板, 以及折板、壳体等二维或三 维的结构和构件, 混凝土处于明显的多轴应力 状态。即使是一维的梁、柱构件, 在其局部如
梁端、梁柱节点区、开孔附近、预应力钢筋固 端等处, 混凝土也处于事实上的二轴或三轴应 力状态。
2021/3/11
研究多轴强度和本构关系的原因
在钢筋混凝土结构的受力过程中, 由于混凝土的 非弹性变形和局部开裂等原因, 其应力和变形状态随 荷载值不成比例增减, 只有采用非线性分析（或试验） 方法, 引入材料的真实强度和本构关系, 才能获得正确 的受力全过程分析结果。
2021/3/11
1
一、单轴应力一应变（本构）关系 二、多轴强度图的应用 三、破坏准则的应用
2021/3/11
2
钢筋混凝土结构的非线性分析, 必须 采用真实的或准确的材料的本构关系, 才能获得可靠、合理的结果。
非线性分析中要求的最基本的本构关 系是混凝土的单轴受压和受拉应力一 应变关系。对于二维和三维结构, 其 中最实用的非线弹性类本构模型, 一 般都使用混凝土的等效单轴应力一应 变关系。
2021/3/Βιβλιοθήκη 16谢 谢 ！2021/3/11
7
混凝土的本构关系
以主应力和主应变表示
则为:
式中切线弹性模量 和 ，泊松比 随应力状态和数值的变 化按下述方法确定。
§7.1.4 混凝土的本构关系
2、混凝土非线弹性本构模型____Darwin-Pecknold 本构模型
材料在双轴受压
应变为：
• 等效单轴应力-应变关系
§7.1.4 混凝土的本构关系
2、混凝土非线弹性本构模型____Darwin-Pecknold 本构模型
2、混凝土非线弹性本构模型____Ottosen本构模型
定义一非线性指标 ，表示当前应力状态
至混凝土
破坏（包络面）的距离，也即塑性变形发展的程度。假定
保持不变，压应力 增大至 时混凝土破坏，则
混凝土的多轴应力应变关系采用Sargin的单轴受压方程，即
§7.1.4 混凝土的本构关系
2、混凝土非线弹性本构模型____Ottosen本构模型
式中参数以多轴应力状态的相应值代替：
代入得一元二次方程，解之得到割线模量：
§7.1.4 混凝土的本构关系
2、混凝土非线弹性本构模型____Ottosen本构模型
混凝土的泊松比很难从试验中精确测定。Ottosen本构模型取割 线泊松比 随 的变化如图，计算式为：
式中可取：
§7.1.4 混凝土的本构关系
2、混凝土非线弹性本构模型____Ottosen本构模型
单轴受压应力-应变
多轴应力-应变
Ottosen本构模型
泊松比
§7.1.4 混凝土的本构关系
2、混凝土非线弹性本构模型____Ottosen本构模型 非线性指标
• 根据非线性指标 的定义， 值计算要通过破坏包络
面先求 ，在一般情况下需要经过多次迭代方能求出；
钢筋混凝土破坏准则及本构关系
一些常用的、有代表性的混凝土破坏准则列于下表 , 同时给出了原始表达式和统一表达式，可看到两者中 参数的互换关系。
过镇海、王传志、张秀琴等搜集了国内外大量的混 凝士多轴强度试验数据，与按上述准则计算的理论值 进行全面比较，根据三项标准： ①计算值与试验强度的相符程度； ②适用的应力范围宽窄； ③理论破坏包络面几何特征的合理性等加以评定。 所得结论为： 较好的准则：过—王、Ottosen和Podgorski准则； 一般的准则：Hsieh-Ting-Chen，Kotsovos， WillamWarnke准则； 较差准则：Bresler-Pister准则。 在结构的有限元分析中，可根据结构的应力范围和 准确度要求选用合理的混凝土破坏准则。
σ3
转换过 程归纳
ξ
o
3 oct
θ
ξ
静水应力
3 oct
r σ1 =σ2 = σ3 N σ2
σ1
圆柱坐标系及主应 力空间应力分解 σ 1 -σ3 偏斜应力 平面中矢 量的方向 σ2 偏平面 P r θ N σ3 -σ1
-σ3 σ1 -σ2
ξ，r，θ的几何表示 偏平面
压子午线 θ=60o rc rt
3、以混凝土多轴强度试验资料为基础的经验回归式
随试验数据的积累，许多研究人员提出了若干基于试验结果、 较为准确、但数学形式复杂的混凝土破坏准则。准则中一般需 要包含4～5个参数。
这些破坏准则的原始表达式中采用了不同的应力量作 为变量，分5种： ①主应力—fl , f2, f3 ; ②应力不变量—Il ,J2,J3 ; ③静水压力和偏应力—ξ , r,θ; ④八面体应力— σoct ,τoct ; ⑤平均应力—σm ,τm θ。 采用上述应力量致使准则的数学形式差别很大，不 便作深入对比分析。但这些应力量借助下列基本公式 可以很方便地互相变换：
混凝土碳化本构关系与碳化深度数学模型
混凝土碳化本构关系与碳化深度数学模型1前言我国开展混凝土耐久性的研究较早，七五期间，我国就开展了混凝土耐久性的系统研究，取得了一定成果。
九五期间，我国开展了混凝土耐久性广泛的研究，在《混凝土结构设计规范》GB50010-2001修编时，引入了相关的章节。
十一五期间，是我国混凝土耐久性研究成果最多的时期，修编出版了《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009,编制了《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008,《混凝土结构耐久性评定标准》CECS220-2007《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T 193-2009 。
混凝土碳化破坏的影响因素较多，我国混凝土耐久性规范对混凝土均采用双控的要求，控制最低混凝土强度等级，控制最大水胶比和最小水泥用量，显然混凝土的抗碳化能力是碳化破坏的主要因素。
混凝土的碳化系数是反映其抗碳化能力的主要指标，混凝土的碳化系数与硬化混凝土的力学指标立方体抗压强度几。
有密切关系，德国在1967年提出的Smolezyk模型，是较早描述这一关系的数学模型，由于硬化混凝土的碳化系数与混凝土的强度相关性很好，建立塑性混凝土的主要指标孔隙比、水泥用量与强度的关系，就可建立与碳化系数的关系，笔者根据国内奈系混凝土的使用情况研究了混凝土强度与混凝土碳化系数的关系，本文对在一研究的情况做一介绍，希望能达到抛砖引玉的作用。
2混凝土碳化的本构关系2.1混凝土的孔结构和微观裂缝混凝土的强度、渗透性和抗碳化性能取决于混凝土的孔结构，孔结构可分为凝胶孔和毛细孔。
凝胶孔对混凝土无害，而毛细孔的最可儿孔径(出现几率最大的孔径)分布对混凝土的强度和抗渗性有比较大的影响，混凝土内部连通的孔隙和毛细孔通道，则是造成抗渗性降低的主要原因。
混凝土毛细孔则因水胶比和水化程度的差异，孔径变化较大，可分为少害孔、有害孔和多害孔。
混凝土凝结时，随水胶比减小时，混凝土的总孔隙率减小，胶凝孔含量增多，毛细孔则减少。