一种高温下混凝土化学塑性_损伤耦合本构模型

1、 1590 岩 土 力 学 2010 年 从图 2 可以看出，混凝土柱加热面附近温度逐 渐的升高，越靠近加热面温度梯度的值越高。在 此区域孔隙水不断的快速蒸发，形成了一个高蒸汽 土柱内不断的移动而变大， t = 12 min 时能达到 。从图 4，5 可以看出来，由于混凝 0.8 MPa（图 3） 土柱的外表面受热膨胀，而内部基本上仍就保持在 初始温度状态下，必然会导致高拉伸应力的产生， 最终在高蒸汽压力的共同作用下使得混凝土材料发 生破坏损伤，破坏效果在混凝土柱角区域尤其严 重。如图 6 所示，由于升温引起脱水和脱盐的总化 学损伤在加热面处会达到 11%，导致在加热面附近 混凝土强度的进一步

2、下降，见图 7。由靠近加热面 混凝土柱角区域的高蒸汽压力和总损伤系数的分 且数值试验结果 15 16 0.20 0.16 0.12 Y/m 压力峰值，这一高空隙气压力峰值会随着向混凝 0 2.3×10-4 4.6×10-4 6.9×10-4 9.1×10-4 1.1×10-3 1.4×10-3 1.6×10 3 0.08 0.04 0 0 0.04 0.08 0.12 X/m 0.16 0.20 图 4 t = 12 min 时混凝土柱中的等效塑性应变分布 Fig.4 Equivalent plastic strain di

3、stributions in concrete column at t = 12 min 0.20 0.16 0.12 Y/m 布，预示着这一区域最有可能发生爆裂破坏现象， 也显示出了针对此几何形状 的混凝土爆裂现象经常发生在这一角区域，充分验 证了本文发展的化学塑性 - 损伤耦合本构模型在模 拟高温下混凝土中复杂破坏过程的能力和有效性。 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 0.08 0.04 0 0 0.04 0.08 0.12 X/m 0.16 0.20 0.20 0.16 0.12 Y/m 298 355 413 470 528 585 643 700 图 5

4、t = 12 min 时混凝土柱中的力学损伤分布 Fig.5 Mechanical damage distributions in concrete column at t = 12 min 0.20 0.16 0% 1.6% 3.1% 4.7% 6.3% 7.9% 9.4% 11% 0.08 0.12 0.04 0 0 0.04 0.08 0.12 X/m 0.16 0.20 0.04 0 Y/m 0.08 图2 Fig.2 t = 12 min 时混凝土柱中的温度分布(单位: K Temperature distributions in concrete column at t = 12

5、min(unit: K Fig.6 0.20 0.16 0.12 0 1.14×105 2.29×105 3.43×105 4.57×105 5.71×105 6.86×105 8.00×105 Y/m 0 0.04 0.08 0.12 X/m 0.16 0.20 图 6 t = 12 min 时混凝土柱中的化学损伤分布 Chemical damage distributions in concrete column at t = 12 min 0.20 0.16 0.12 0.08 0.04 0% 10% 25% 40%

6、52% 60% 70% 80% Y/m 0.08 0.04 0 0 0.04 0.08 0.12 X/m 0.16 0.20 0 0 0.04 图3 t = 12 min 时混凝土柱中的水蒸汽压力分布(单位: Pa Vapor pressure distributions in concrete column at t = 12 min(unit: Pa 0.08 0.12 X/m 0.16 0.20 Fig.3 图 7 t = 12 min 时混凝土柱中的总损伤分布 Fig.7 Total damage distributions in concrete column at t = 12 m

7、in 第5期 李荣涛：一种高温下混凝土化学塑性-损伤耦合本构模型 Geomechanics, 2006, 30(7: 635681. 7 1591 8 结 论 考虑到高温下混凝土材料中同时存在的塑性破 坏过程和微裂纹/微孔洞的发生发展的损伤过程， 本 文发展了一个化学塑性 -损伤耦合本构模型用于数 值模拟高温下混凝土的真实破坏过程。由于本文提 出的本构模型的复杂性，为保证本构方程的积分和 全局守恒方程求解的 2 阶收敛率，本文模型在考虑 了化学塑性 -损伤各分本构关系之间所有耦合影响 的基础上，建立了基于 Newton-Raphson 过程的一 致性算法，即 （1）本构方程组中的，化学塑性-损

8、伤返回映射 满足增量步终端处所指定的塑性和损伤流动法则， 从而保证积分点本构方程积分的 2 阶收敛率； （2）导出了计及材料损伤、脱粘、软化各方面 完全耦合的一致性切线矩阵，从而保证全局守恒方 程迭代的 2 阶收敛率。本文建立的模型可作为混凝 土构件和结构减防火灾设计的有力工具和参考。 参 考 文 献 1 SIMO J C, JU J W. Strain-and stress-based continuum damage models I. FormulationJ. International Journal of Solids and Structures, 1987, 23(7: 821

9、840. 2 SIMO J C, JU J W. Strain-and stress-based continuum damage models II. Computational aspectsJ. Inter national Journal of Solids and Structures, 1987, 23(7: 841869. 3 GAWIN D, PESAVENTO F, SCHREFLER B A. Modelling of hygro-thermal behaviour of concrete at high temperature with thermo-chemical a

10、nd mechanical material degradationJ. Computer Methods in Applied Mechanics Engineering, 2003, 192: 17311771. 4 ULM F J, COUSSY O, BAZANT Z P. The “Chunnel” fire. I: Chemoplastic softening in rapidly heated concreteJ. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1999, 125(3: 272282. 5 WILLAM K J, WARNKE E

11、 P. Constitutive model for the triaxial behaviour of concreteC/IABSE Proc. 19, Seminar on Concrete Structure Subjected to Triaxial Stresses. Zurich: International Association for Bridge and Structural Engineering, 1975. 6 LI Xi-kui, LI Rong-tao, SCHREFLER B A. A coupled chemo-thermo-hygro-mechanical

12、 model of concrete at high temperature and failure analysisJ. International Journal for Numerical and Analytical Methods in 9 8 OLIVER J, CERVERA M, OLLER S, et al. Isotropic damage models and smeared of the crack 2nd analysis of concreteC/Proceedings International Conference on Computer Aided Analy

13、sis and Design of Concrete Structures. Zell am See: s. n., 1990: 945 957. LI Xi-kui, DUXBURY P D, LYONS P. Coupled creepelastoplastic-damage analysis for isotropic and anisotropic nonlinear materialsJ. International Journal of Solids and Structures, 1994, 31: 11811206. SERCOMBE J, ULM F J, MANG H A.

14、 Consistent return mapping algorithm for chemoplastic constitutive laws with internal couplingsJ. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2000, 47: 75100. 10 SCOTTA R, VITALIANI R, SAETTA A, et al. A scalar damage model with a shear retention factor for the analysis of reinforced

15、 concrete structures: theory and validationJ. Computers and Structures, 2001, 79: 737 755. 11 SAETTA A, SCOTTA R, VITALIANI R. Mechanical behaviour of concrete under physical-chemical attacksJ. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1998, 124(10: 11001109. 12 LACKNER R, HELLMICH C H, MANG H A. Cons

16、titutive modeling of cementitious materials in the framework of chemoplasticityJ. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2002, 53: 2357 2388. 13 WU Wen-hua, LI Xi-kui, CHARIER R, et al. A thermohydro-mechanical constitutive model for unsaturated soilsJ. Computers and Geotechnics

17、, 2004, 31: 155 167. 14 HUECKEL T. Chemo-plasticity of clays subjected to stress and flow of a single contaminantJ. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1997, 21: 4372. 15 BRITE Euram III and BRPR-CT95-0065 industrial application HITECO. of high Understanding perform