基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，屬于建筑材料 領域。
【背景技術】
[0002] 混凝土材料是工程結構中最常采用的一種建筑材料，被廣泛應用于土木建筑、交 通、水利、采礦等各個領域。對于材料破壞的判斷通常是，當應力或應變達到某一限值來判 斷材料出現(xiàn)損傷或達到破壞。但在材料的損傷或破壞程度的定量判斷和預測方面，研究的 文獻并不是很多，主要集中在基于材料破壞準則（或稱為"強度準則"）的應力判別方法的 研究上。目前，基于材料破壞準則來判斷材料的受力狀態(tài)的研究大多是針對巖土體結構，巖 土體材料通常采用模型較為簡單的Mohr-Coulomb(破壞包絡面為6個形狀相同的平面圍 成的三軸對稱的不規(guī)則六棱錐面）或Drucker-Prager(破壞包絡面為圓錐面）破壞準則， 這種簡單的古典強度理論對于材質不均勻、受力復雜的混凝土材料并不適用，因此，工程上 常被采用的混凝土破壞準則都是基于試驗數(shù)據(jù)的破壞準則，在我國被大家公認的應用效果 較好的混凝土破壞準，是清華大學的過鎮(zhèn)海、王傳志等人提出的過一王破壞準則，也是我國 《混凝土結構設計規(guī)范》中采用的強度準則。將混凝土的破壞包絡曲面用數(shù)學函數(shù)加以描 述，作為判定混凝土是否達到破壞狀態(tài)或極限強度的條件，稱為混凝土材料的破壞準則或 強度準則。雖然它不是基于機理分析，不具有明確的物理概念，但它是大量試驗結果的總 結，具有足夠的計算準確性，對實際工程具有重要的指導意義。所以研究基于試驗數(shù)據(jù)的 過一王混凝土材料破壞準則條件下，根據(jù)材料的空間應力狀態(tài)來定量地評判其破壞程度， 對混凝土結構工程的損傷預測和安全評價具有重要的理論指導意義。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對混凝土這種材質不均勻、受力特性復雜的材料，提出一種 應力空間條件下，基于過-王破壞準則對結構工程損傷預測與安全性定量評價的一種材料 損傷預測方法。
[0004] 本發(fā)明首先提出一種用以預測材料破壞程度的力學參量，即材料破壞預測指數(shù)DPI(damagepredictionindex)。DPI的概念為：材料的受力單元的主應力對應應力空間 的應力矢量?在偏平面上的投影（即偏應力）與沿該點的偏平面夾角方向偏平面包絡線 的偏應力半徑之比，其表達式為：
[0005]
(D
[0006] 式中，/為應力空間的應力矢量$在偏平面上的投影，即偏應力；0為應力點P的偏平面夾角；Re為沿0角方向偏平面包絡線的偏應力半徑。對于應力空間的某一應力 點P的偏應力rP和偏平面夾角9，可以表示為：
[0007]
d-i)
[0008] 其中j2為應力偏量第二不變量，si為第一主應力偏量。
[0009] 結合我國《混凝土結構設計規(guī)范》中采用的過一王準則，推導得到基于過一王準則 的混凝土材料破壞預測指數(shù)計算公式為：
[0010] (2)
[0011]其中，c( 0 ) = 12. 2445(cosl. 5 0 廣5+7. 3319(sinl. 5 9 )2,式中的參數(shù) 1丨為主應 力第一不變量。公式中涉及到的參數(shù)JpS^Ii、0，均可由第一、第二、第三主應力〇1、〇2、 0 ；?求得。
[0012] 參量DPI反應了主應力空間的一點到混凝土材料破壞包絡面的接近程度， DPI G[0,1.0]。本發(fā)明將材料的損傷安全程度，用DPI指標來定量評價，即材料的損傷安 全評價標準為：
[0013]
[0014] 利用上述DPI分析，本發(fā)明提出基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法， 包括以下步驟：
[0015]a.混凝土構件初始參數(shù)確定；
[0016]b.混凝土結構有限元模型創(chuàng)建：根據(jù)初始參數(shù)，在有限元分析軟件ansys中建立 混凝土構件的三維有限元模型，并進行網(wǎng)格單元劃分、添加邊界條件；
[0017]c.有限元受力分析：對鋼筋混凝土構件施加荷載，進行有限元受力分析，將計算 得到的單元主應力結果輸出；
[0018] d.損傷分析：基于前面推導的過一王準則的混凝土材料破壞預測指數(shù)計算公式：
[0019] (2)
[0020] 調用混凝土損傷分析程序，讀入步驟c輸出的主應力數(shù)值，計算每個網(wǎng)格單元的 DPI值；
[0021] e.損傷評價：依據(jù)材料損傷評價標準，對鋼筋混凝土構件進行損傷評價，最后將 DPI值和評價結果輸出并保存；
[0022] f.計算結果可視化處理：用ansys對步驟e輸出的數(shù)據(jù)進行后處理，顯示構件應 力、應變、位移的圖形和曲線變化，三維可視化定量顯示構件材料損傷程度、材料損傷區(qū)域 及裂縫開裂分布。
[0023] 本發(fā)明能夠對材料的應力空間下的受力狀態(tài)接近材料破壞曲面程度進行定量預 測，為實際工程結構的損傷預測與結構安全性評價提供一種測定方法。
【附圖說明】
[0024] 圖1為材料損傷安全評價計算流程圖。
[0025] 圖2為混凝土材料破壞預測指數(shù)計算示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0027] 如圖1所示，以鋼筋混凝土構件為例，本發(fā)明的具體應用步驟如下：
[0028]a.鋼筋混凝土構件初始參數(shù)確定：構件空間尺寸（包括截面尺寸aXb、構件長度 1)、混凝土的單軸抗壓強度/；：、單軸抗拉強度//、彈性模量E。、質量密度P鋼筋的屈服強 度fy、彈性模量Es;荷載類型以及荷載數(shù)值。
[0029]b.根據(jù)初始參數(shù)，在ansys中建立鋼筋混凝土構件的三維有限元模型，并進行網(wǎng) 格單元劃分，添加邊界條件。
[0030]c.對鋼筋混凝土構件施加荷載，進行有限元受力分析，將計算得到的單元主應力 (包括第一主應力、第二主應力、第三主應力）結果輸出，保存為?txt文件格式。
[0031] d.計算材料破壞預測指數(shù)DPI，如圖2所示，DPI表達式為：
[0032]
(I)
[0033] 式中，rP為應力點P在偏平面上的偏應力，0為應力點P的偏平面夾角，Re為沿 9角方向偏平面包絡線的偏應力半徑，rP和0可以表示為：
[0034]
(11)
[0035] 結合我國《混凝土結構設計規(guī)范》中采用的過一王準則，以及八面體應力與偏平面 應力半徑之間的換算關系可以得到Re的表達式：
[0036] 0-2)
[0037] 其中，公式中為八面體剪應力，f/為混凝土的單軸抗壓強度（可以根據(jù)結構 分析方法和極限狀態(tài)驗算的需要，分別取為單軸抗壓強度標準值、設計值、平均值等），1為 第一主應力不變量；c( 9 ) = 12. 2445(cosl. 5 9 )L5+7. 3319(sinl. 5 9 )2。
[0038] 推導得到基于過一王準則的混凝土材料破壞預測指數(shù)計算公式為：
[0039] C2):
[0040] 將DPI的計算過程利用MATLAB語言編程，調用該程序，讀入步驟C輸出的三個主 應力數(shù)值，計算每個網(wǎng)格單元的DPI值。
[0041] e.依據(jù)材料損傷評價標準，
[0042]
[0043] 對鋼筋混凝土構件進行損傷評價。最后將DPI值和評價結果輸出，并保存為.txt 文件。
[0044] f.將步驟e輸出的計算結果讀入ansys程序，編寫ansys程序命令流，對讀入的數(shù) 據(jù)進行后處理，實現(xiàn)構件應力、應變、位移的圖形和曲線變化顯示；實現(xiàn)構件材料損傷程度 定量三維可視化顯示；實現(xiàn)構件材料損傷區(qū)域（安全區(qū)域、接近開裂損傷區(qū)域、開裂區(qū)域） 的三維可視化顯示；實現(xiàn)裂縫開裂分布三維可視化顯示。
【主權項】
1. 一種基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，其特征在于，包括以下步驟： a. 混凝土構件初始參數(shù)確定； b. 混凝土結構有限元模型創(chuàng)建； c?有限元受力分析； d. 損傷分析：計算材料破壞預測指數(shù)DPI，DPI指的是材料的受力單元的主應力對應應 力空間的應力矢量硬在偏平面上的投影與沿該點的偏平面夾角方向偏平面包絡線的偏應 力半徑之比，其表達式為：⑴ 式中，/為應力空間的應力矢量妒在偏平面上的投影，即偏應力；0為應力點P的偏 平面夾角；R"為沿0角方向偏平面包絡線的偏應力半徑，rP和0可以表示為：(11) 結合過一王準則，推導得到基于過一王準則的混凝土材料破壞預測指數(shù)計算公式為：⑵ 其中，c( 9 ) = 12. 2445(cosl. 5 9 廣^了. 3319(sinl. 5 9 )2; 利用上述公式，調用混凝土損傷分析程序，讀入步驟c輸出的主應力數(shù)值，計算每個網(wǎng) 格單元的DPI值； e. 損傷評價； f. 計算結果可視化處理。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，其特征在 于，所述步驟b包括根據(jù)初始參數(shù)，在有限元分析軟件ansys中建立混凝土構件的三維有限 元模型，并進行網(wǎng)格單元劃分、添加邊界條件。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，其特征在 于，所述步驟c包括對鋼筋混凝土構件施加荷載，進行有限元受力分析，將計算得到的單元 主應力結果輸出。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，其特征在 于，所述步驟e包括依據(jù)材料損傷評價標準，對鋼筋混凝土構件進行損傷評價，最后將DPI 值和評價結果輸出并保存。5. 根據(jù)權利要求1所述的基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，其特征在 于，所述步驟f包括用ansys對步驟e輸出的數(shù)據(jù)進行后處理，顯示構件應力、應變、位移的 圖形和曲線變化，三維可視化定量顯示構件材料損傷程度、材料損傷區(qū)域及裂縫開裂分布。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于過-王破壞準則的混凝土材料損傷預測方法，屬于建筑材料領域，主要解決目前對材料損傷的定量判斷研究不足的問題。本發(fā)明利用一種混凝土材料破壞預測指數(shù)DPI(damage？prediction？index)來判斷材料是否發(fā)生破壞或者接近破壞的程度，從而對混凝土構件或結構進行損傷定量預測。通過初始參數(shù)確定、混凝土結構有限元模型創(chuàng)建、有限元受力分析、損傷分析、損傷評價以及計算結果可視化處理幾個步驟，實現(xiàn)對材料的應力空間下的受力狀態(tài)接近材料破壞曲面程度進行定量預測。本發(fā)明可以為實際工程結構的損傷預測與結構安全性評價提供一種測定方法。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105022902
【申請?zhí)枴緾N201510515336
【發(fā)明人】高麗燕, 于廣明, 萬小梅, 王國艷, 李冉, 李剛, 潘泳戰(zhàn)
【申請人】青島理工大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年8月21日