高应变状态下混凝土累积损伤本构规律研究

摘要

现代抗震设计理论充分利用了结构在保持竖向承载力前提下的屈服后变形能力及塑性耗能能力，这使得结构在强震下的非弹性动力反应表现为一个使各个构件以不同程度进入构件屈服后状态的多次正反向交替随机变形历程。为了较准确模拟钢筋混凝土结构的这种动力反应，国内外研究界在近20年内逐步探索了钢筋混凝土结构构件在这种反应过程中的滞回特征以及钢材和混凝土在不同应变状态下的多次重复受力本构模型和损伤累积规律。混凝土在偏高应变状态下的损伤累积特征，或称低周疲劳特征，虽与多年来研究的混凝土在一般工作应力状态下的高周疲劳特征有着密切的内在联系，但至今仍未见有对混凝土高应变低周疲劳性能的较系统的研究成果报道。 同时高周疲劳问题研究中使用的在设定的力或应力的上下界限之间重复受力的试验方法（定应力幅或变应力幅）已无法用于混凝土高应变低周疲劳性能的试验研究。因此，从应变增大到接近对应于峰值应力的应变ε0时起，看来就已经有必要改用在设定的应变界限之间重复受力的试验方法（定应变幅或变应变幅）。为此，本文改用在设定的应变界限之间重复受力的试验方法，完成了中等强度混凝土在以不同程度超过ε0（ε0为与峰值应力对应的应变）的定压应变上限条件下的等应变幅多次循环加载试验和混凝土在逐步增大压应变上限条件下的变压应变幅多次循环加载试验，获得了疲劳试件在不同的等应变幅和变应变幅加载工况下达到不同损伤状态时完备的循环应力－应变关系曲线数据和试件的初始静载轴压应力－应变曲线，以及在循环至一定周数后有损试件再加载轴压破坏时的应力－应变曲线。同时研究了混凝土材料在循环加载过程中的疲劳应力、单周割线刚度、单周最大应变和单周滞回能以及损伤过程中特征状态点等几方面的性能劣化规律。 本文在试验结果的基础上，通过对以往假定的混凝土卸载-再加载本构模型作出重要调整，以反映加载历史对混凝土在滞回过程中的强度、刚度退化和滞回耗能的影响，提出了适用于混凝土材料在任意加载模式下的本构模型，同时编制了与该模型对应的混凝土材料应力-应变反应分析程序，对本文所进行的两类循环加载试验进行了对比模拟分析，初步验证了本文提出的任意加载模式下的本构模型的有效性，并为今后钢筋混凝土结构及构件的非线性动力反应分析提供了有效的材料本构模型。