基于黏塑性理论的碾压混凝土动态剪切本构模型论文

基于黏塑性理论的碾压混凝土动态剪切本构模型论文

随着 1986 年我国第一座碾压混凝土坝在福建建成，碾压混凝土坝的数目逐年增多，而这些碾压混凝土坝多位于西部强震地区。碾压混凝土由于自身施工工艺，存在很多薄弱层面。对于有薄弱层面的碾压混凝土坝而言，其动态力学性能比常规混凝土坝要复杂得多，因此越来越多的学者开始关注碾压混凝土坝的抗震安全。近年来国内外研究者针对碾压混凝土的力学特性提出了一系列碾压混凝土的本构模型。如王宗敏等根据变形等效基本原理，导出碾压混凝土等效连续的本构模型；刘海成等根据碾压混凝土材料的力学特性和损伤特点，分别在拉应变空间及压应变空间建立了碾压混凝土的本构关系和损伤演化方程；顾冲时等研究了碾压混凝土坝施工层面影响带的变化规律，提出了碾压混凝土三维黏弹性分析模型。高政国等以 Sidoroff各向异性损伤理论为基础，建立了碾压混凝土正交异性损伤本构模型。这些本构模型尚未考虑碾压混凝土的率相关性，与真实受力条件下有层面碾压混凝土的受力特性还有一定的差距，不能直接应用于碾压混凝土大坝的静动响应分析和地震承载力评价。

本文根据 Perzyna 黏塑性连续理论，结合所做的碾压混凝土单轴力学特性试验，引入一致连续性条件，提出了碾压混凝土动态剪切本构模型，不仅考虑了碾压混凝土层面特性，还考虑到本构关系中的率相关性问题。通过对不同应力路径和加载速率下碾压混凝土层面试件动态力学性能的数值分析，探讨加载速率对其动力特性的影响，验证了本文模型的有效性，可以用于碾压混凝土结构的动力非线性分析中。

1 模型的建立

1.1 黏塑性理论基本方程

1963 年 Perzyna 提出了三维黏塑性本构方程，该模型较好地反映了材料力学性能中的率相关性和时间相关特性，比较适合实际工程应用。

1.2 对扩容现象的考虑

对于岩石和混凝土类材料与结构，如岩体节理和碾压混凝土层面以及坝基混凝土与岩基的交界面，在有法向压应力的情况下，沿界面的塑性剪切变形常常会引起岩体或混凝土的.剪胀或剪缩，又称为“扩容”现象。扩容导致的压力增加会导致结构(如混凝土重力坝)剪切承载力的增加，因此具有重要工程意义。压剪复合应力状态下的界面发展到裂缝不稳定扩展阶段以后，裂缝将沿着界面间切向应力方向张开。

2 与试验结果的比较

为了研究不同加载速率对碾压混凝土层面剪切力学性能指标的影响，本文开展了单向和双向应力状态下碾压混凝土动态力学性能的试验研究，试验工作在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大型静、动三轴电液伺服试验系统上进行，其中单向荷载主要为单轴拉、压和直剪试验，双向荷载为双轴压剪试验，试件尺寸分别为 150mm×150mm×150mm，试件形式见图 3，碾压层面设置在试件中部，压剪试验中先施加垂直于界面的初始压应力，然后沿着界面方向施加不同速率的剪切应力，此时压应力保持恒定。法向压应力加载量级分别为2MPa 和 6MPa，剪切加载速率量级分别为 0.01mm/s(作为标准静态加载速率)、0.1mm/s 和 1mm/s。

利用本文模型计算模拟了不同加载速率下碾压混凝土的压剪强度包络图，图中横坐标为法向压应力，纵坐标剪切应力强度p? 为各个加载速率下碾压混凝土层面的剪切应力峰值。同时将试验得到的数据绘制在图中，可见数值模拟得出的压剪强度包络图能够较好反映剪切强度与加载速率以及法向应力大小之间的关系。由模拟结果可以看出随着法向压应力的增加，碾压混凝土层面间的剪切强度速率敏感性降低，这与试验得出的结论具有一致性，同时说明了在黏塑性本构模型中使用 Carol 双曲面屈服函数是合适的。

3 结论

本文基于 Perzyna 黏塑性连续理论，提出了一个可以考虑率效应的碾压混凝土动态剪切本构模型。该模型将改进的 Carol 率相关的界面模型作为进入黏塑性阶段的屈服判断依据，考虑了碾压混凝土材料层面间的剪切断裂行为。该模型形式简单，便于计算；通过与试验结果进行比较，数值模型结果能够较好地反映碾压混凝土在单轴拉、压以及剪切等动力荷载作用下的动力特性，由此计算得出的碾压混凝土剪切应力-应变曲线符合试验曲线，说明该模型能够应用于碾压混凝土结构的动力非线性分析中。