[发明专利]一种用于ECC双轴受压分析的本构模型构建方法

说明书

本发明公开的一种用于ECC双轴受压分析的本构模型构建方法，包括建立用于描述ECC双轴力学行为的二维增量型正交各向异性本构关系；建立ECC非线性压缩应力应变曲线；引入用于预测双轴受压时抗压强度变化的ECC双轴强度包络线，计算不同双轴受压应力状态下的ECC抗压强度；进行等效单轴抗压应变计算，进而推导本构模型的数值计算方法，并编写用户自定义材料子程序，将用户自定义材料子程序嵌入有限元软件中用于ECC双轴受压分析；本发明同时考虑了ECC在双轴受压时的非线性应力应变关系和不同双轴应力比下ECC抗压强度的变化，能更准确地描述ECC双轴受压状态下的力学行为。

技术领域

本发明涉及水泥基复合材料受压分析的研究领域，特别涉及一种用于ECC双轴受压分析的本构模型构建方法。

背景技术

高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，简称ECC)是高性能纤维增强水泥基复合材料的一种，具有纤维掺量低且在受拉和受压时具有高延性的特点，同时因其良好的准应变硬化特性和多缝开裂特性，被广泛应用于桥面板、桥面连接板、建筑防震抗震构件、混凝土保护层等实际工程中。

自ECC面世以来，国内外学者对其进行了大量的试验研究。研究表明，ECC具有良好的拉伸，压缩和弯曲韧性，同时具有良好的裂缝控制能力。除了对ECC进行试验研究外，还有许多学者提出了能够用于预测ECC结构构件力学行为的本构模型。文献《Simulation ofhighly ductile fiber-reinforced cement-based composite components undercyclic loading》提出了一种基于总应变的正交各向异性二维旋转裂缝模型模拟ECC在循环荷载下的力学响应，该模型分别用三线性和双线性应力应变曲线模拟ECC的拉伸和压缩响应，还分别定义了受拉和受压时的滞回行为，该模型被吸收进OpenSees地震工程模拟软件的材料库中，便于对ECC构件在承受地震荷载时的力学行为进行模拟。但是，二维模型存在受形状、加载方式和边界条件限制的缺点。为了克服上述缺点，文献《Three-dimensionalmodel for analysis of high performance fiber reinforced cement-basedcomposites》提出了一种ECC的三维本构模型，该模型仍然采用三线性模型描述ECC受拉应力应变关系，但在受压应力应变关系的硬化段采用了非线性的Hognestad抛物线函数来描述，并编写了本构模型的用户自定义材料子程序UMAT嵌入LS-DYNA中描述ECC的力学行为，建立ECC冲切板与两跨连续梁的三维有限元模型进行数值计算，数值计算结果与试验结果较吻合。文献《基于弥散旋转裂缝理论的UHP-FRC三维材料模型》基于Rots旋转裂缝理论，提出了一种ECC的三维本构模型，该模型通过断裂能来判断裂缝平面的旋转，通过模拟ECC单轴受拉和四点弯曲试验，得到了与试验较吻合的结果。

以上模型虽然都模拟了ECC在多轴受力状态下的力学响应，但判定材料受压破坏的强度参数都是直接从单轴压缩试验结果中获取，即假定主应力或主应变超过某一恒定值时，即判定材料达到破坏状态。然而，现有的ECC双轴试验结果都表明，ECC在承受双轴压应力时，一个方向上的抗压强度是受其垂直方向上压应力的大小影响的。这是由于ECC在双轴受压时，一个方向上的压应力会对其垂直方向上的压应力所引起的侧向变形产生一定程度的约束，限制了内部微裂缝的发展，从而提高了该方向的抗压强度，导致该方向的应力应变关系与单轴受压时不同。若在本构模型中不考虑ECC在双轴受压时的抗压强度变化，就不能准确地预测ECC在承受不同双轴压应力时的破坏强度和力学行为。

发明内容