混凝土弹塑性损伤本构关系的三维拓展

现代结构设计、评估和加固迫切需要高质量的非线性分析，混凝土结构非线性分析的关键在于本构关系。当前活跃于国际学术界和工程界的混凝土弹塑性损伤本构模型仍限于二维问题，其三维拓展具有重要的理论意义和应用价值。本项目从混凝土的三维力学行为特征和弹塑性损伤体的自由能势二方面着手，建立三维弹塑性损伤本构关系。通过多种加卸载路径中的三轴材料力学试验，获得强度、刚度和永久变形的三维演化形态，构造合适的强化变量、损伤变量演化函数和塑性势函数；结合运用现代热力学和损伤力学的观点和方法，对自由能势进行重新审视和深入探索，为本构关系的推演提供一个合理的出发点；深入分析塑性演化、损伤演化和自由能势之间的相互制约和影响，建立既具有严格的热力学基础，又能较好地反映混凝土三轴试验现象的本构关系。实现直接基于三维弹塑性损伤本构关系的混凝土结构非线性分析，为对混凝土结构的力学行为的认识和数值模拟提供新的视角和方法。

本项目的各项研究内容基本依照原计划得以执行，在试验、理论、数值各方面均取得了良好进展，实现了预期研究目标。取得的主要成果如下：.1）运用新建成的试验系统，轻松获得了一系列应力-应变全曲线。除了常见的压子午面三轴受压工况，还补充了少量拉子午面三轴受压工况，以弥补真三轴受压工况的缺乏。同时完成了一些小尺寸的箍筋/钢管约束混凝土构件的加载试验。为3维本构模型的建立提供了依据和支持。.2）提出了塑性能贮存率这一热力学广义力，从唯象学的角度探索了塑性自由能的性质，给出了实用的函数表达式。并基于此为混凝土构建了完整的2维弹塑性损伤本构模型。.3）从细观力学和多尺度方法的观点剖析了塑性自由能的物理本质，借助微弹簧、微滑块等抽象细观元件以简化的形式表示自由能，避开极为复杂的开裂介质数值模拟，给出了公开发表文献中首个半解析函数表达式。可望为发展多尺度随机损伤力学提供一种新的有效途径。.4）从数学形式的角度重新分析和整理了混凝土强度理论，为弹塑性损伤本构模型拓展了屈服函数和损伤加载函数的构造方法。重点研究了广泛使用的Lubliner准则，阐明了它与双重强化模型及后退欧拉回映算法的相容性，并揭示了它在三轴受拉和三轴受压状态下的局限性。.5）提出了新颖的应力分解方式，分离出混凝土的三轴受压损伤机制，建立起完整的3维弹塑性损伤本构模型。它是公开发表文献中还未有的，能同时反映混凝土强化软化、刚度退化、残余变形、拉压单边效应、约束效应等各项主要力学行为特征的本构模型，为结构非线性分析提供了暂时无可替代的有力工具。