一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法及系统

技术领域

本发明涉及混凝土材料设计领域，具体涉及一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法及系统。

背景技术

桥梁工程中经常采用粘贴钢板或者FRP缠绕的方式加固桥墩。无论哪种加固方式加固，其本质上均属于通过约束混凝土的方式，提升混凝土的强度的延性，达到加固桥墩的目的。三轴应力状态下的混凝土强度可以通过试验研究和理论分析得到。

目前基于不同的强度准则发展了围压作用下混凝土本构模型，但是目前的混凝土塑性本构模型的研究均存在理论相对较为复杂的问题，不同的理论模型需要有大量的参数进行标定。并存在以下缺陷：为了保证混凝土的理论强度和变形特征能够与实测值吻合，需要进行大量的参数修正计算，但并没有给出完整且可靠的修正方案，没有经过可靠修正方案得到的理论模型并不能保证其准确性和理论可靠性，导致理论模型的应用受限，难以满足对理论模型应用的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法及系统，通过对单轴、双轴和三轴的试验测试结果进行验证计算，提出了考虑混凝土强度和围压的塑性体积变形阈值的修正模型，以及考虑混凝土强度的软化段参数的修正模型，提高试验值与理论值的吻合度，保证准确性和理论可靠性，满足理论模型应用的需求。

本发明的第一目的是提供一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法，包括：

获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变的试验值数据，依据混凝土特性获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变理论曲线；

单轴状态下，将不同混凝土强度时应力应变理论曲线的理论值与试验值比较，获取修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型；

基于双轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，对修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型进行验证；

基于三轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，修正塑性体积应变阈值，得到基于混凝土围压和强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型。

进一步地，依据已有试验，分别获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土的应力应变试验值数据。

进一步地，在单轴状态下进行修正，调整塑性体积应变阈值和软化段参数，使试验值与理论值趋于吻合。

进一步地，在单轴状态下，获取基于混凝土强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型。

进一步地，获取等比例双轴的应力应变试验值数据和应力应变理论曲线，并带入双轴状态下的模型验证过程。

进一步地，采用修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型，结合等比例双轴压缩混凝土应力应变曲线计算理论值，并与试验值进行对比，验证模型的有效性和准确性。

进一步地，在三轴状态下，采用修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型，结合同一强度、不同围压下的三轴混凝土应力应变曲线计算理论值，并与试验值对比，通过修正使试验值和理论值趋于吻合。

进一步地，通过调整塑性体积应变阈值，促进试验值与理论值的吻合。

进一步地，根据屈服函数、塑性势函数，获取单轴、等比例双轴和三轴压缩状态下混凝土应力应变理论曲线。

本发明的第二目的是提供一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正系统，包括：

数据获取模块，被配置为：获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变的试验值数据，依据混凝土特性获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变理论曲线；

建模模块，被配置为：单轴状态下，将不同混凝土强度时应力应变理论曲线的理论值与试验值比较，获取修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型；

验证模块，被配置为：基于双轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，对修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型进行验证；

修正模块，被配置为：基于三轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，修正塑性体积应变阈值，得到基于混凝土围压和强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前理论模型未经可靠修正导致理论模型应用受限的问题，通过对单轴、双轴和三轴的试验测试结果进行验证计算，提出了考虑混凝土强度和围压的塑性体积变形阈值的修正模型，以及考虑混凝土强度的软化段参数的修正模型，提高试验值与理论值的吻合度，保证准确性和理论可靠性，满足理论模型应用的需求。

(2)对基于混凝土围压和强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型进行修正，使试验值与理论值趋于吻合，提出的修正模型能够为后续约束混凝土的强度和变形计算提供理论参考。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1或2中赫艾-韦斯特加德坐标系的示意图。

图2为本发明实施例1或2中屈服函数f的示意图。

图3为本发明实施例1或2中势函数g的示意图。

图4为本发明实施例1或2中硬化函数k和软化函数c的示意图。

图5为本发明实施例1或2中迭代应力调整算法程序框图。

图6为本发明实施例1或2中单轴压缩混凝土的应力应变曲线试验和理论预测对比示意图。

图7为本发明实施例1或2中塑性体积应变阈值和软化段参数修正方案示意图。

图8为本发明实施例1或2中塑性体积应变阈值和软化段参数修正函数示意图。

图9为本发明实施例1或2中基于混凝土强度的塑性体积应变阈值和软化段参数修正模型示意图。

图10为本发明实施例1或2中双轴加载混凝土的应力应变曲线试验和理论值对比示意图。

图11为本发明实施例1或2中三轴压缩混凝土的应力应变曲线试验和理论值对比示意图。

图12为本发明实施例1或2中基于混凝土强度和围压的塑性体积应变阈值和软化段参数修正模型示意图。

图13为本发明实施例1或2中三轴压缩混凝土的应力应变曲线试验和理论预测对比示意图。

图14为本发明实施例1或2中三轴压缩混凝土的应力应变曲线试验和理论预测对比验证示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图14所示，给出一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法。

基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法用于对混凝土本构模型进行修正，通过对单轴、双轴和三轴的试验测试结果进行验证计算，提出了考虑混凝土强度和围压的塑性体积变形阈值的修正模型，以及考虑混凝土强度的软化段参数的修正模型，提高试验值与理论值的吻合度，保证准确性和理论可靠性，满足理论模型应用的需求。

基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法包括以下步骤：

获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变的试验值数据，依据混凝土特性获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变理论曲线；

单轴状态下，将不同混凝土强度时应力应变理论曲线的理论值与试验值比较，获取修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型；

基于双轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，对修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型进行验证；

基于三轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，修正塑性体积应变阈值，得到基于混凝土围压和强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型。

在本实施例中，结合附图对上述修正方法进行详细描述：

1.分析准备：混凝土弹塑性模型涉及屈服准则、流动法则和硬化软化法则，其中：屈服准则，即确定应力状态进入塑性状态的条件；流动法则，即确定材料处于屈服状态时塑性变形增量的方向；硬化软化法则，即当材料到达屈服条件后，确定屈服条件的变化。

2.根据已有文献收集单轴、等比例双轴和三轴状态下混凝土的应力应变试验值数据。

3.如图1所示，在Haigh-Westergaard坐标系的主应力空间中，根据屈服函数、塑性势函数，基于迭代应力调整算法编制程序，得到单轴、等比例双轴和三轴状态下混凝土的应力应变理论曲线。

4.将得到的不同混凝土强度单轴状态下的应力应变曲线理论值与试验值进行比较，调整阈值

5.采用步骤3修正后的阈值

6.采用步骤3修正后的阈值

在本实施例中，屈服函数f见图2，势函数g见图3。硬化软化函数见图4。图中，k为硬化函数；c为软化函数；

具体的，在本实施例中，结合图1-图14对上述步骤进行详细解释：

在图1Haigh-Westergaard坐标系的主应力空间中，根据屈服函数、塑性势函数，采用图5中的迭代应力调整算法，编制相关程序，得到单轴、等比例双轴和三轴压缩状态下混凝土应力应变曲线理论值。

将得到的不同混凝土强度单轴状态下的应力应变曲线理论值与试验值进行比较，见图6。由图6可知，直接采用本构模型进行分析，最终的吻合程度较差。采用目前的本构模型无法反映混凝土应力应变曲线的软化段。

调整阀值

根据图7的调整方案，得到了塑性体积应变阀值的修正函数C

t＝0.017f

采用公式1和公式2得到等比例双轴压缩混凝土应力应变曲线理论值，并与试验值进行对比，如图10所示，以证明公式1阀值模型和公式2模型的有效性和准确性。

采用公式1和公式2得到同一混凝土强度不同围压下的三轴混凝土状态下的应力应变曲线理论值，将与试验值进行对比，如图11所示。由图11可知，公式 1和公式2并不能很好的模拟围压对混凝土应力应变曲线的影响。

调整阀值

式中，f

采用公式3和公式2得到同一混凝土强度不同围压下的三轴混凝土状态下的应力应变曲线理论值，将与试验值进行对比，如图13所示。由图8可知，公式3 和公式2能很好的模拟围压对混凝土应力应变曲线的影响。

如图14所示，采用公式3和公式2验证模型的有效性和准确性。

上述内容中出现的各个符号代指的参数如表1所示：

表1参数表

对基于混凝土围压和强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型进行修正，使试验值与理论值趋于吻合，提出的修正模型能够为后续约束混凝土的强度和变形计算提供理论参考。

实施例2

本发明的另一典型实施例中，如图1-图14所示，给出一种基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正系统。

包括：

数据获取模块，被配置为：获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变的试验值数据，依据混凝土特性获取单轴、双轴和三轴状态下混凝土应力应变理论曲线；

建模模块，被配置为：单轴状态下，将不同混凝土强度时应力应变理论曲线的理论值与试验值比较，获取修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型；

验证模块，被配置为：基于双轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，对修正后的塑性体积应变阈值模型和软化段参数模型进行验证；

修正模块，被配置为：基于三轴状态下的试验值和应力应变理论曲线，修正塑性体积应变阈值，得到基于混凝土围压和强度的塑性体积应变阈值模型和基于混凝土强度的软化段参数模型。

可以理解的是，上述基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正系统的工作方法与实施例1提供的基于围压和强度的混凝土弹塑性模型修正方法相同，可以参见上述实施例1中的详细描述，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。