浅谈混凝土的本构关系

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1、浅谈混凝土的本构关系Y摘要：混凝土是一种广泛应用的材料，其力学特性的研究对充分发挥材料强度、提高设计水平、降低工程造价具有十分重要的意义。本文简要回顾了混凝土本构关系的发展，系统的介绍了混凝土本构关系理论模型的研究现状，总结了在特定环境下混凝土本构关系的新成果，并对目前混凝土本构关系研究中存在的问题进行了阐述，最后对混凝土本构关系的发展进行了展望。关键词：混凝土；本构关系；新成果；问题；展望混凝土因其所具有的许多优点（如可根据不同要求配制各种不同性质的混凝土、可模性好、硬化后具有抗压强度高和耐久性良好等特性，与钢筋之间有比较牢固的粘结力、能制作钢筋混凝土结构和构件，其组成

2、材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则等）已成为现今土木工程中应用最广泛的建筑材料之一。混凝土是由胶凝材料（水泥等）、骨料（砂、石等）和水以及其它组分（外加剂、掺合料等）按适当的比例配合，拌制成混合物，经过一定时间硬化而成的，因此混凝土的综合力学和物理性质既取决于其各组分的性质、配合比以及各相之间力学、物理或化学的相互制约机理等要素又与制作工艺（搅拌、成型、养护等）和周围环境等均有关系。就力学特性而言混凝土材料与相对比较均匀的金属材料相比要复杂得多。在传统的混凝土结构分析中，由于受到计算能力的限制，以及对材料本身性能了解不足，对构件与结构分析一般在线

3、弹性范围内进行，而早期的混凝土构件与结构相对比较简单，因此这种分析方法在当时起到了一定的作用。但是随着混凝土在复杂结构中的广泛应用，需要对结构进行比较精确的分析。这时简单但比较粗糙的线弹性本构模型的局限性显露了出来。电子计算机的飞速发展与计算理论的发展不仅使复杂的空间形式所带来的计算困难得到解决，也使得尽管复杂但精确的本构模型的应用成为可能。因此，本文对混凝土本构关系的发展进行了简要回顾，综述了本构关系研究现状以及新成果，提出了目前尚需解决的主要问题和今后发展方向。1混凝土本构研究的历史真正现代意义上的混凝土本构关系研究可以说是1943年Whitney所进行的混凝土受压全

4、过程的实验研究,他利用刚性实验机得到了混凝土极限强度后的软化阶段,从而认识到混凝土的软化后强度特性。20世纪50年代随着连续介质力学及不可逆热力学的发展,系统的材料本构理论研究兴起,由此产生了混凝土的经典塑性模型、非线性弹性模型、非经典塑性模型和损伤本构模型等众多研究成果。至今,实际工程中应用最广泛的还是源自实验、计算精度有保证、形式简明和使用方便的非线弹性类本构模型。2现有混凝土本构关系模型2.1线弹性类本构模型线弹性类本构模型是以弹性力学为基础的模型,当混凝土无裂缝时，将混凝土看成线弹性匀质材料而采用线弹性本构模型.虽然混凝土的变形特性是非线性的,但在一些特定的情况下

5、(比如描述混凝土受拉时的工作性能),采用线弹性类本构模型进行分析还是有足够的精度的.其线弹性本构关系可用广义虎克定律来表示:式中，为材料弹性常数，为四阶张量，共有81个常数。按照材料假设的不同，又可分为各向异性本构模型，正交各向异性本构模型，各向同性本构模型等，其中根据材料的不同而变换。2.2塑性理论类本构模型塑性理论类本构模型是以塑性流动理论为基础，考虑混凝土加载路径和混凝土的硬化而导出的本构模型，在混凝土的应力——应变全曲线中，有上升段和下降段。自从Drucker公设和'yushin公设出现之后，经典塑性力学得到飞速发展，混凝土塑性力学模型也是基于这些公设建立的。以塑

6、性理论为基础的混凝土本构模型，在对其加载面，包括初始屈服面，后续加载面和破坏包络面等特征面的研究中，这些特征面若以应力空间来表示时，当应力达到屈服后，材料发生应力松弛；若以应变空间表示时，当应变达到松弛面后，材料发生应力松弛。基于应力状态屈服面或破坏包络面的塑性理论类型的本构模型有弹性——全塑性模型、线弹性——硬化塑性——断裂模型等；基于松弛面的塑性理论类型的本构模型有塑性模型、塑性断裂模型、硬化断裂模型等。所有这些模型所做的假设与混凝土的实际性能还存在很大的差别，而且模型的表达式和计算均较复杂，目前还不便于应用。2.3其它力学理论类的本构模型除了以弹性理论和塑性理论为基

7、础的混凝土本构模型以外，许多学者还以新型交叉的力学分支的理论为基础研究混凝土的本构模型。2.3.1以粘弹——塑性理论为基础的模型由于混凝土有蠕变性能，因而有些学者采用粘弹性和塑弹性的理论来建立混凝土的本构关系模型。这种模型的实现需建立三种基本力学元件，即弹性元件(弹簧)，塑性元件和粘性元件(阻尼器)，然后将这三种元件进行适当组合即成为不同的本构模型。当将弹性元件和塑性元件串联，便构成理想弹塑性本构模型；当将两者并联，则成为刚性——强化本构模型;当两者并联后再串联一个弹性元件，便成为弹性——强化本构模型，等等。各元件的力学参数由