泡沫轻质混凝土受压损伤本构模型研究

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本构关系的研究是描述材料基本力学性质的基础和分析结构变形、位移等力学响应的前提。作为新型环保材料,泡沫轻质混凝土(简称泡沫轻质土)以其优良的性能被开发应用于土建工程的其他领域,如半承重结构等。为适应泡沫轻质土的角色转变,需从材料层面入手,针对材料损伤和破坏建立本构模型以提高结构非线性分析的精度。损伤理论正是当下构建脆性材料本构模型的最优选择,本文以损伤理论为工具,研究泡沫轻质土的本构模型,主要研究内容和结论如下:(1)研究泡沫轻质土细观孔隙结构特性及单轴力学性能。X-CT扫描试验结果表明:泡沫轻质土孔隙度、平均孔径、最大孔径都随着密度的增大而减小,孔隙球度也更接近于1;面孔隙度与平面位置无关,随着应变的增加呈单调非减变化,在应变率为0~0.7%之间几乎保持不变。单轴压缩试验结果表明:泡沫轻质土单轴力学行为与其密度有很大的关系:密度较低时呈三阶段脆塑性破坏特征,密度较大时则呈三阶段弹脆性破坏特征;弹性阶段卸载,材料刚度不发生退化,而在峰值应变前0.2%~0.3%卸载,刚度退化明显;塑性和损伤是泡沫轻质土非线性行为的两个主要耗能机制。(2)建立泡沫轻质土单轴压缩损伤模型。以孔隙度的相对增长量定义损伤变量D;拟合单轴压缩损伤演化方程,泡沫轻质土损伤主要发生在应变为0.9%~1.10%范围内。根据最小熵产生原理,建立泡沫轻质土单轴受压状态下的损伤准则;采用分段函数拟合泡沫轻质土一维损伤本构模型。利用有限元软件ABAQUS验证试验参数与损伤本构模型的正确性。(3)建立泡沫轻质土统计损伤模型。三轴压缩试验并获得相关力学参数,试验结果表明:泡沫轻质土强度随着围压的增大而增大且具有静水敏感性;试样体积应变与轴应变呈线性关系。采用Drucker-Prager强度准则并假设泡沫轻质土微元强度符合两参数Weibull分布,利用力学试验结果求解模型参数m和F0并验证统计损伤本构模型的正确性。对参数的物理意义分析表明:m越小,材料延性越高;F0越大,强度越高。(4)推导泡沫轻质土弹性损伤本构模型的一般形式。从不可逆热力学原理出发,将弹性应变、损伤变量作为Helmholtz弹性自由能泛函的宗量,利用泛函展开法将Helmholtz弹性自由能函数在初始状态附近作Taylor展开。由细观损伤力学的解答给出材料损伤效应函数的具体形式并画出FC500和FC600的损伤效应函数曲线,受损状态下,损伤引起的材料弹性常数呈双曲线型变化;采用损伤能量释放率定义泡沫轻质土损伤准则并讨论损伤面与屈服面的关系,结果表明泡沫轻质土损伤面在主应力空间中为椭球面且损伤与塑性是互相独立的。
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