基于分形原理的混凝土本构理论与应用

针对混凝土材料宏观性能的离散性和随机性给其本构理论研究带来的困难，拟采用分形理论和计算机图像采集与分析技术进行混凝土分形特性研究，引入分形损伤概念并基于混凝土真实断裂面-曲面的分形损伤指数，探索混凝土分形损伤演化规律与分形损伤判别准则，提出能够反映材料弹性、弹塑性和塑性的混凝土分形损伤细观模型以及能反映各强度等级混凝土不同性能特点的分形损伤统一组合细观模型，进而建立基于能量原理的单轴受力分形损伤本构模型，并发展多轴受力与动力条件下混凝土分形损伤本构模型。本项目研究从本质上改变了假设混凝土损伤面为平面而建立的混凝土损伤本构理论，对揭示混凝土损伤由细观到宏观由萌生、开展到贯穿的演化规律与行为机理具有重要的理论意义，将促使混凝土损伤本构理论研究向全面、直观与精确化发展，以为基于材料本构理论的混凝土结构精细化建模分析乃至实施其材料-结构一体化优化设计奠定基础，并最终取得显著的经济效益和社会效益。

本项目针对混凝土材料宏观性能的离散性和随机性给其本构理论研究带来的困难，采用了分形理论和计算机图像采集与分析技术进行混凝土分形特性的研究。在现有的混凝土随机损伤本构理论基础上,引入了一种全新的混凝土随机损伤本构模型,以实现对不同强度等级混凝土特性的区别研究,进而建立不同强度等级混凝土的单轴受压统一随机损伤本构关系。为了验证上述本构关系的合理性和准确性,进行了超高强高性能混凝土的单轴受压试验研究,结合本课题组以往的试验研究成果,分析了水泥标号及胶凝材料用量、粗骨料级配、砂率、高效减水剂、水胶比、养护条件及龄期等因素对混凝土力学性能的影响。将试验所得不同强度等级混凝土试件单轴受压应力-应变曲线与本文所建立的本构关系进行比较,结果大多数试验数据都落在理论应力-应变均值曲线的一倍方差以内,表明所提损伤本构关系与试验结果吻合较好。在对混凝土分形特性进行连续性定量表述的基础上，提出了分形应力-多重分形应变的概念，并借助 Najar 能量法推导得到了混凝土分形损伤本构模型。本项目研究从本质上改变了假设混凝土损伤面为平面而建立的混凝土损伤本构理论，对揭示混凝土损伤由细观到宏观由萌生、开展到贯穿的演化规律与行为机理具有重要的理论意义，将促使混凝土损伤本构理论研究向全面、直观与精确化发展，以为基于材料本构理论的混凝土结构精细化建模分析乃至实施其材料-结构一体化优化设计奠定基础。本项目出版著作1部，发表论文十余篇，其中SCIE刊源录用1篇，培养硕士研究生3名。