考虑复杂加载历史影响的混凝土静动统一损伤本构关系研究

Dynamic response of dams under earthquakes is the key problem and the characteristics of concrete subject to dynamic loading are of fundamental significance to the seismic safety evaluation of dams. This project will attempt to experimentally and theoretically study the dynamic properties of concrete experienced complex loading history and its dynamic failure mechanism. The failure criterion in consideration of complex loading history as well as the geometric feature of failure enveloping plane will be investigated firstly. Based on the experimental results，the unified static and dynamic damage constitutive relation for concrete will be developed under the framework of no coupling multi-subsystems and coupling dual-subsystems. Damage, loading history, rate-dependent, elastic and plastic, static and dynamic are coupled in the constitutive model and failure criteria. Finally the constitutive model will be introduced in finite element analysis using second development function for large explicit finite element software ABACUS. Through material user subroutine interface VUMAT, the program code was complied and then, the dynamic finite element method for the unified static and dynamic damage constitutive model associating with multiple damage failure criteria for concrete was established. The numerical examples validated that the implementation process is correct and effective.

地震作用下大坝动力响应是其抗震安全评价的关键问题，而混凝土材料的动力特性是大坝动力安全评价的基础。本项目首先对混凝土经历复杂荷载历史后动态力学性能演化的一般规律和典型破坏形态进行试验研究，并根据破坏包络面的几何特征，借鉴摩尔库伦强度准则，提出相应的考虑荷载历史的破坏准则。然后，以试验为基础，采用无耦合的多子系统与耦合的双子系统的静动态统一本构关系框架，将描述混凝土荷载历史的损伤因子引入其中，建立考虑荷载历史和应变率等因素的混凝土多轴静动态统一性损伤本构关系，深刻地揭示混凝土材料处于复杂静动应力状态下的内在力学规律。最后，对大型有限元软件ABAQUS/Explicit进行二次开发,利用材料用户子程序接口VUMAT编写代码,采用显式积分算法对本项目建立的静动态统一损伤本构模型进行动态有限元实现,并通过算例验证该混凝土本构模型有限元实现过程的正确性和有效性。

对于任何一种混凝土结构都是在承受包括自重在内的荷载的同时经历着环境作用。考虑混凝土结构处于荷载与单一或是多重环境因素的耦合作用情况下的动态特性和抗力，一直是工程人员所关注而亟待解决的问题。本项目通过试验的方法研究了荷载和环境因素耦合作用下混凝土宏观力学性能的劣化发展规律，并结合微观表征，探索了多因素的相互作用机制以及损伤的微观机理。基于混凝土损伤力学理论和试验结果，建立荷载与环境多因素耦合下混凝土损伤本构模型。同时，开展基于随机减量法的分布式结构模态参数识别算法的研究。主要研究内容和结论如下：.1）开展了经历复杂荷载历史与硫酸盐侵蚀耦合作用下损伤特性的试验研究，从损伤力学应变等效假定出发，基于混凝土强度服从于Weibull分布的假设，推导出混凝土单轴受压损伤统计本构模型。.2）开展了经历疲劳荷载与冻融循环作用后混凝土动态特性系列试验研究，发现先疲劳后冻融作用模式下，疲劳荷载与冻融循环联合作用均为正效应，先疲劳后冻融作用模式导致强度的损失大于同一应变率下先冻融后疲劳作用模式。.3）开展了经历荷载与硫酸盐侵蚀或碳化交替作用后高强混凝土力学性能试验研究，发现疲劳历史荷载与碳化侵蚀联合作用后，高强混凝土的延性损伤度要大于两者单独作用时的损伤度之和。.4）开展了轴压荷载-硫酸盐侵蚀实时耦合作用后混凝土长期性能劣化及微观损伤机理试验研究，结果表明应力比是主要的控制因素，在30%-45%范围内存在应力比阈值，高于此值时硫酸盐与轴压荷载的耦合对混凝土劣化有明显促进作用，低于此值时硫酸盐与轴压力的耦合对混凝土劣化有一定的抑制作用。.5）开展了疲劳荷载与硫酸盐交互作用下混凝土损伤特性试验研究及本构理论研究，建立依侵蚀龄期的损伤本构关系，与试验结果吻合性较好。.6）开展了基于随机减量法的分布式结构模态参数识别算法的研究，基于随机减量法的分布式数据采集和模态识别方法得到的频率和振型，与集中式数据采集方法得到识别结果吻合很好，可以满足工程应用。.本项研究对于提高复杂环境与荷载作用下的混凝土结构的设计水平，减少和降低自然灾害的影响，具有重要的研究意义。