地震响应分析中土体动力本构模型

土体的动力本构本身诚然是一个恨头痛的问题,因为它实在是一个不可回避的问题,目前学者们开发出的本构模型实在是很多,但是真的去分类了解实在是标准不一,也造成了针对不同的问题很难选择出相比合适的本构模型来应用。此处根据一个公认度比较高的分类模式对土体本构模型类型分类架构进行一个整理,对地震作用下不同问题去选择土体本构时候做一个宏观的把握。
来,先宏观上看看整个土体动力本构模型主要类别。(目前这张图主要包括的只是一些经典模型,本构模型类目繁多,不胜枚举)
本构模型上最宏观的分类标准就是一维和空间之分。前者的文章都是在应力应变曲线上做的,而后者必须在应力应变空间内建立本构关系,更为接近土体作用下的真实情况。一维模型给它起的名字叫粘弹性模型,到空间里叫它弹塑性模型,至于从起名字的角度上为什么这么叫至今我也没找到渊源,但是这些个名字实在是有很繁琐。在张克绪老师书中将很多曼辛类准则的模型归纳为弹塑性模型,而实际上更为公认的标准是把三维空间里通过塑性理论推到出的模型视作弹塑性模型,实在很容易混淆。因此此处最容易理解的还是从维度上,一维归为一类,空间的归为一类。至于后者是否模拟效果会明显优于前者,我是不好在这下定论的。
一、 粘弹性模型
来,目光集中于一维的粘弹性模型。我把线性黏弹性模型单独拿出来,实在是因为这个模型太过基础,在张克绪老师的书中都有很详细的论述,应用价值不大,却又为我们去理解后面的模型奠定一定基础。
二、等效线性化模型
等效线性化模型实在是让人又爱又恨的一个模型。此处我们先用最简单的方式理解一下这是怎样的一道菜:
1 首先看看做这道菜的炊具:
剪切模量(弹性模量)、阻尼比随应变的变化

某种土剪切模量(弹性模量)、阻尼比随应变的变化
大佬们通过实验告诉我们对于任何一种土,剪切模量随着应变增加一定是下降的,而阻尼比随着应变变大会增加。不同的土曲线不同,量化方法(比如插值啊,经验曲线啊——岩土地震工程及工程振动p165)也是各种各样的。但是总归建立这样一个概念:每一个应变对应一个阻尼比和剪切模量。
此外,可以归为炊具的还有:最大剪切模量的估算方法,等效剪应变的估算方法等等,落实到具体计算过程中还真的要一一掌握。
2 然后是食材和火:
火:地震波时程
食材:土层数据 (土类型,土分层数据,密度,剪切波速)
具体这些参数是什么样的可以打开shake或者erra看一看啊,算土层地震反应肯定要用的就不赘述了
3 俺娘说:开火,做菜!
生菜是下图所示的这样的土层,开始我们并不知道它的初始剪应变是多少,可以根据经验先拟定(土参考剪应变——岩土地震工程及工程振动p167)
有了初始的剪应变值,那么剪切模量和阻尼比根据“炊具”里面提到的对应关系就都准备好了。这时候的土层是完全弹性的,也就是说所有的剪切模量啊,阻尼比啊计算过程中都不会变。
开火,输入地震波。只要有时程分析的概念就知道,好好土层拿地震波算一遍肯定要给出算完以后的内力、变形等一些参数的。别急,烧完以后熟不熟要给客户检验一下。算完以后会有一个最大的剪应变,大佬们说用它可以算出等效剪应变——岩土地震工程及工程振动p174,再把等效剪应变对应回剪切模量和阻尼比,在跟算之前的剪切模量和阻尼比比较一下。如果差的很多,说明菜没做熟啊,怎么办,重新开火,把算过一次的土层参数(剪切模量,阻尼比)再输进去算一遍,算完再比较。其实就是迭代的概念,往往到8次了计算前后的剪切模量和阻尼比才会比较接近了。
为什么我们需要计算前后的土层参数比较接近呢?因为我们计算用的土层是弹性的,土层参数在计算过程中是不变的,其实我们是在“猜”在这条地震波下这个土层最适合的参数是多少。如果计算前后差距不大,说明地震作用前后土的这个剪切模量和阻尼应该正好是契合的,在经历这样的作用后没有太大变化,说明土的参数在这个特定的地震作用下就是最稳定的,我们也就“猜对了!”
讲完这套流程再说说为啥对它是又爱又恨吧。爱它,因为它实在是认可度高,应用多,老外的设计规范都推荐用它搞,无论是shake还是erra现成的软件拿来就用;恨它,就因为它太方便了,妈妈告诉我,偷懒是不对的!..(。•ˇ‸ˇ•。)… 首先,太多文献已经指出它的局限性,什么大震啊,软土啊等等算的是不准的。地震动比较大或者变形比较大这套方法确实很不理想。其次来说,计算工具确实多,但是即便广受认可的erra和shake也不是任何土层算出来的都完全一致的,用起来还真的各种小心。

三、曼辛准则或其他准则模型
这一类模型的思路非常清晰,给土体构造出滞回曲线和骨架曲线,与结构的滞回曲线模型非常相似。对于滞回曲线,要分为:
初始荷载途径:动荷载从第一次从零增大到最大值时所走的应力应变途径为初始荷载途径。如:双曲线模型,RO模型,逐渐破损模型。
后继荷载途径:动荷载第一次达到最大值以后走的应力应变途径称为后继荷载途径。后继荷载途径是根据曼辛准则或其他准则确定的。
从这个角度上说,曼辛准则实际是构造滞回曲线的指导原则:
1)卸荷与反向加荷阶段和初始加荷阶段的应力 应变轨迹线的斜率相等
2) 卸荷点的坐标为 τ 1 , γ 1 。则反向加荷阶段的卸 荷点坐标为 -τ1,- γ1
因此也便产生了一系列后继荷载途径的描述模型:双线性模型、双曲线模型、Ramberg-Osgood 模型、Martin-Davidenkov 模型等。
在此基础上发展了突破曼辛准则外的其他准则,分别对曼辛准则进行了一定改进,如Pyke 方法、Iwan方法。
这类模型虽然属于非线性模型,但是仍局限于一维模型,而且变形不能过大,当超过土的屈服应变时计算误差也会增大。此外,没有考虑应变软化和应力路径的影响,相比于真正的弹塑性模型模拟的还是忽略了很多东西的。
四、弹塑性模型
真实的弹塑性模型可以说是对土层各类性质模拟的最为到位的模型,也是目前来看发展空间最大的模型。在弹塑性模型中塑性单屈服面模型是做地震响应分析中应用较多的一类。塑性单屈服面模型按照屈服面的形状进一步分为单一开口型屈服面和闭合屈服面。
针对单一开口型屈服面模型,大多数经典屈服面都属于此,如最大拉应力强度准则(Rankine 强度准则)、Tresca 准则(1864)、Von Mises 准则(1913)、Mohr-Coulomb 准则(1773)、扩展的 Tresca 准则、Lade-Duncan 单参数准则、Lade 双参数准则,双剪应力屈服准则、空间准滑面(SMP)模型。而闭合屈服面模型中最为出众的为剑桥模型,从剑桥模型中也发展出来了诸多改进本构模型应用于SSI问题的模拟中。



土体本构的选择
为什么放弃在土体本构上走一步呢?目前来看,真正公认适用的模型实际还只是等效线性化土体模型,后面的滞回曲线搭建的模型也好,弹塑性模型也好,公认度实际还是不够,除非有足够的资源专门去做本构,否则本构即便你用了,用自己的本构实现了自己想证明的结果,但是本构本身认可程度是不够的,建立在这样一个基础上还是很难真正走向工程!



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