欒 偉 偉
(隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院,甘肅 慶陽(yáng) 745000)
土木工程材料種類很多,性質(zhì)不同,用途各異,例如:混凝土、鋼材、陶瓷、玻璃和橡膠等[1]。彈性階段是土木工程材料應(yīng)用的主要階段,有必要對(duì)土木工程材料的彈性階段進(jìn)行分析。彈性是土木工程材料的固有力學(xué)屬性,也是土木工程材料力學(xué)測(cè)試的主要指標(biāo)之一。在土木工程材料各種力學(xué)變形模型中,假設(shè)其各處處于應(yīng)力為零的初始狀態(tài)下,由零荷載起始加載,變形從起始點(diǎn)到達(dá)各變形階段,彈性階段處于各種力學(xué)變形的第一階段。彈性階段變形是可逆變形。一些土木工程材料彈性曲線比較長(zhǎng),彈性階段比較明顯;一些土木工程材料彈性曲線比較短,彈性階段不明顯。根據(jù)外力(應(yīng)力)與變形(應(yīng)變)之間的關(guān)系,土木工程材料的彈性階段分為線彈性階段和非線性彈性階段。土木工程材料處于線彈性階段,外力(應(yīng)力)與變形(應(yīng)變)呈線性關(guān)系。土木工程材料處于非線性彈性階段,外力(應(yīng)力)與變形(應(yīng)變)不再是線性關(guān)系,呈非線性關(guān)系。對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的描述是對(duì)土木工程材料本構(gòu)關(guān)系的構(gòu)建。土木工程材料在線彈性階段符合Hooke定律。在非線性彈性階段,土木工程材料的本構(gòu)關(guān)系模型眾多[2-4]。土木工程材料所處的彈性階段具有加載曲線與卸載曲線吻合,應(yīng)力與應(yīng)變同相,變形與時(shí)間無(wú)關(guān)的性質(zhì),土木工程材料在此彈性階段具備彈性完整性。土木工程材料加載曲線與卸載曲線出現(xiàn)不吻合,卸載曲線中應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力小于加載曲線中同一應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力,表現(xiàn)為彈性后效、循環(huán)韌性和包申格效應(yīng)。在此彈性階段土木工程材料不具有彈性完整性。土木工程材料的彈性在各個(gè)方向相同,與方向無(wú)關(guān),表現(xiàn)為彈性各向同性。土木工程材料的彈性在不同的方向上具有不同的彈性性質(zhì),土木工程材料表現(xiàn)為彈性各向異性。少數(shù)土木工程材料的彈性具有彈性各向同性,絕大多數(shù)土木工程材料具有彈性各向異性。土木工程材料在彈性階段進(jìn)行加載和卸載,呈現(xiàn)出記憶行為。
線彈性中的線指坐標(biāo)系中的直線,線彈性也稱為比例彈性。土木工程材料的線彈性階段處于彈性階段的起始階段,外力(應(yīng)力)與變形(應(yīng)變)成正比例關(guān)系,呈線性變化。有些土木工程材料在外力作用下線彈性階段的變形非常小,應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系中線性表征不明顯;有些土木工程材料在外力作用下線彈性階段的變形比較大,應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系中線性表征明顯。在線彈性階段,對(duì)土木工程材料進(jìn)行加載,外力(應(yīng)力)與變形(應(yīng)變)曲線顯示為直線,此直線為土木工程材料線彈性階段的加載曲線。土木工程材料在線彈性階段變形都比較小,這種變形是可以恢復(fù)的。當(dāng)加載完成后,逐漸撤去荷載對(duì)材料進(jìn)行卸載,外力(應(yīng)力)與變形(應(yīng)變)曲線同樣為直線。此直線為土木工程材料線彈性階段卸載曲線。在卸載過(guò)程中,土木工程材料的變形(應(yīng)變)由加載終止點(diǎn)的變形(應(yīng)變)沿直線恢復(fù)到加載起始點(diǎn)的變形(應(yīng)變),無(wú)殘余變形(應(yīng)變)。土木工程材料在線彈性階段的加載曲線與卸載曲線吻合,應(yīng)力(外力)與應(yīng)變(變形量)同相,土木工程材料在線彈性階段具備彈性完整性。在相同外力作用下,不同土木工程材料具有不同的彈性變形量。彈性模量E為土木工程材料在線彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變曲線上初始直線的斜率。直線斜率越大,彈性模量E越大,剛度越大。土木工程材料在外力作用下發(fā)生變形的過(guò)程中,常常伴隨有溫度上升的現(xiàn)象,在空氣中釋放出熱能發(fā)生熱能損耗。土木工程材料處于線彈性階段,作用的外力(應(yīng)力)與變形量(應(yīng)變)呈正比例關(guān)系,符合Hooke定律。線彈性模型稱為線彈性理論。
1.1.1 Hooke定律
Hooke定律是由英國(guó)力學(xué)家Robert Hooke于1678年發(fā)現(xiàn)的。Hooke定律的假設(shè):
(1)土木工程材料變形小,且可恢復(fù)。
(2)土木工程材料卸載時(shí),變形無(wú)殘余變形。
(3)土木工程材料變形同時(shí)間無(wú)關(guān)系。
(4)土木工程材料變形過(guò)程中無(wú)能量損耗。
Hooke定律的內(nèi)容為土木工程材料在線彈性范圍內(nèi),施加在土木工程材料上的外力與單向拉伸或壓縮變形量成正比例關(guān)系。其公式為:
F=-kx
(1)
其中:F為作用在土木工程材料上的外力;k為土木工程材料的彈性系數(shù),它是土木工程材料的本身屬性;x為土木工程材料的單向拉伸或壓縮變形量;負(fù)號(hào)表示作用在土木工程材料上的外力與土木工程材料的單向拉伸或壓縮變形量的方向相反。
19世紀(jì)初,在前人大量實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上,英國(guó)科學(xué)家Thomas Young總結(jié)了Robert Hooke等人的研究成果,創(chuàng)造性地將Hooke定理拓展到材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。他提出土木工程材料在線彈性范圍內(nèi),應(yīng)力和應(yīng)變呈正比例關(guān)系:
(2)
式中:σ為土木工程材料中的正應(yīng)力;E為土木工程材料的彈性模量(楊氏彈性模量),彈性模量為土木工程材料固有常數(shù);ε為土木工程材料中的正應(yīng)變;τ為土木工程材料中的切應(yīng)力;G為土木工程材料的剪切模量,剪切模量為土木工程材料固有常數(shù);γ為土木工程材料中的切應(yīng)變。
1.1.2 廣義Hooke定律
若將Hooke定理推廣到三維,稱之為廣義Hooke定律。廣義Hooke定律公式[5]如下:
σij=Cijklεkl
(3)
式中:σij表示土木工程材料中的應(yīng)力張量,為二階對(duì)稱張量;εkl表示土木工程材料中的應(yīng)變張量,為二階對(duì)稱張量;Cijkl表示土木工程材料的彈性常數(shù)張量,為四階張量。
廣義的Hooke定律為土木工程材料構(gòu)建了在線彈性階段的力學(xué)材料本構(gòu)關(guān)系,為彈性力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我們把滿足廣義的Hooke定律的土木工程材料稱為線彈性材料。廣義的Hooke定律使線彈性理論非常完善,能解決一些實(shí)際問(wèn)題。廣義的Hooke定律模型是一種最簡(jiǎn)單和最基本的力學(xué)模型。當(dāng)土木工程材料的應(yīng)力水平較低時(shí),按該模型計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系與實(shí)際情況基本符合。
隨著外力增加,當(dāng)土木工程材料應(yīng)力水平超過(guò)土木工程材料線彈性應(yīng)力限值(比例極限)時(shí),由線彈性階段進(jìn)入到非線性彈性階段。土木工程材料由線彈性階段向非線性彈性階段轉(zhuǎn)變,實(shí)際上土木工程材料的非線性彈性階段首先出現(xiàn)在試件應(yīng)力最大值處,其他位置的應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到線彈性階段的應(yīng)力限值,仍處于線彈性階段。試件呈現(xiàn)出既有線彈性區(qū)又有非線性彈性區(qū)的局面。隨著荷載增加,當(dāng)試件材料為彈性各向同性時(shí),試件中其他各點(diǎn)從線彈性階段按梯度漸變到非線性彈性階段。在非線性彈性階段,土木工程材料隨著外力增大,土木工程材料的變形繼續(xù)發(fā)生,變形仍然可恢復(fù),變形比較大。土木工程材料的應(yīng)力與應(yīng)變曲線由直線變?yōu)榉蔷€性曲線,不再遵從線性規(guī)律,呈現(xiàn)非線性曲線變化。土木工程材料的彈性模量E發(fā)生變化,由定值變?yōu)樽冎怠M聊竟こ滩牧系淖冃涡遁d后能恢復(fù)到開始加載時(shí)的變形,無(wú)殘余變形。土木工程材料的變形從線彈性階段的變形發(fā)展到非線性彈性階段的變形,有變形歷史的影響,存在時(shí)間問(wèn)題。從加載到變形是一個(gè)過(guò)程,也需要時(shí)間。土木工程材料的非線性彈性變形對(duì)時(shí)間具有依賴性。隨著變形繼續(xù)發(fā)展,土木工程材料的溫度上升,能量損耗增加。在非線性彈性階段,有些土木工程材料加載曲線與卸載曲線吻合,應(yīng)力與應(yīng)變同相,具有彈性完整性;有些土木工程材料加載曲線與卸載曲線不吻合,卸載曲線中應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力小于加載曲線中同一應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力,不具有彈性完整性。但當(dāng)荷載卸載到線性彈性階段,加載曲線同卸載曲線吻合,應(yīng)力與應(yīng)變同相,土木工程材料又具有彈性完整性,
1.2.1 非線性彈性中的非線性分類
非線性彈性中的非線性實(shí)際中體現(xiàn)在兩個(gè)方面[6]:
(1)材料非線性,即應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系中的非線性,為土木工程材料本構(gòu)關(guān)系非線性。高分子聚合物和橡膠等土木工程材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系中存在這種非線性。
(2)幾何非線性,即應(yīng)變和變形梯度關(guān)系中的非線性。幾何非線性由結(jié)構(gòu)受到外部因素作用產(chǎn)生的大變形或大應(yīng)變引起。幾何非線性存在于薄板、薄殼、細(xì)桿、薄壁桿件的大變形問(wèn)題和穩(wěn)定問(wèn)題中。幾何非線性問(wèn)題可以分為兩種情形:第一種情形,即大變形小應(yīng)變,此時(shí)結(jié)構(gòu)只是經(jīng)歷了大的變形,應(yīng)變分量仍假設(shè)為無(wú)限?。坏诙N情形,大變形大應(yīng)變,為最常見情況。此時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變都不再是無(wú)限小量。此處的“大”,不再是無(wú)限小,而是有限的或相當(dāng)大。對(duì)于經(jīng)典彈性理論,結(jié)構(gòu)的平衡方程是建立在初始構(gòu)形上,并且不考慮結(jié)構(gòu)變形后平衡條件的改變,這也就是彈性理論的小變形假定。對(duì)于非線性彈性理論,結(jié)構(gòu)的平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的構(gòu)形之上;也就是說(shuō),結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)會(huì)隨變形發(fā)生變化,而且這種變形一般是大變形。對(duì)于應(yīng)變當(dāng)超過(guò)一定百分比及不能忽視幾何形狀的改變時(shí),可認(rèn)為是大應(yīng)變。應(yīng)變表達(dá)式中必須包含變形的高階微量,不再是線性關(guān)系,這就是幾何非線性理論。
上述材料非線性和幾何非線性屬于兩個(gè)不同的問(wèn)題,相互獨(dú)立,可單獨(dú)進(jìn)行分析。非線性彈性實(shí)際問(wèn)題分為三類:材料線性與幾何非線性問(wèn)題、材料非線性與幾何線性問(wèn)題以及材料非線性與幾何非線性問(wèn)題。
1.2.2 土木工程材料的非線性彈性材料本構(gòu)關(guān)系模型
確定土木工程材料的非線性彈性材料本構(gòu)關(guān)系的方法有四種方法[7]:
(1)理論方法。用公理化體系建立非線性彈性材料本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,并表述其數(shù)學(xué)公式。
(2)實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù),直接表示應(yīng)力和應(yīng)變非線性彈性關(guān)系式。
(3)實(shí)驗(yàn)修正理論方法。根據(jù)某些理論和部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù),建立非線性彈性材料本構(gòu)關(guān)系。
(4)材料科學(xué)研究與細(xì)觀研究方法。
對(duì)于土木工程材料的非線性彈性材料本構(gòu)關(guān)系模型,常見的基本模型有彈性體理想模型和低彈性體模型[8]。
1.2.2.1彈性體理想模型
該模型假設(shè):
(1)土木工程材料存在處于各點(diǎn)處應(yīng)力為零的初始狀態(tài),初始構(gòu)形取此初始狀態(tài)。
(2)土木工程材料的受力結(jié)果只與相對(duì)應(yīng)初始狀態(tài)的當(dāng)前變形狀態(tài)有關(guān)。
(3)土木工程材料不考慮時(shí)間的影響。
彈性體理想模型可以用Green方法和Cauchy方法兩種途徑來(lái)建立相應(yīng)的非線性彈性物理本構(gòu)方程。
(1)Green方法
按照彈性勢(shì)能確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,使應(yīng)變張量與彈性勢(shì)能建立映射。從彈性勢(shì)能(應(yīng)變能或內(nèi)能)出發(fā),得到彈性體的本構(gòu)方程。彈性勢(shì)能函數(shù)必須滿足許可性原理的需要(熱力學(xué)定律、能量守恒原理和質(zhì)量守恒原理等)。
應(yīng)變張量同彈性勢(shì)能的映射表達(dá)式:
U:εij→U
(4)
應(yīng)力張量的表達(dá)式:
(5)
其中:U表示彈性勢(shì)能關(guān)系;εij表示應(yīng)變張量;σij表示應(yīng)力張量。
Green方法建立的模型在理論上很好地描述土木工程材料的非線性彈性,將彈性的概念和用途更一般化。但此種方法確定的模型沒(méi)有體現(xiàn)材料系數(shù)彈性模量E和Poisson比γ在非線性彈性階段的變化,也沒(méi)有體現(xiàn)土木工程材料的硬化。不能很好地模擬土木工程材料在應(yīng)力峰值后的應(yīng)變軟化特性[9]。由于這類模型在建模時(shí)沒(méi)有考慮應(yīng)力路徑和應(yīng)變歷史的影響,忽略了時(shí)間因素,不適用于循環(huán)加載,只適用于簡(jiǎn)單加載的情況。
(2)Cauchy方法
從彈性體具體的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)于特定的應(yīng)變狀態(tài)出發(fā),直接假設(shè)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系,建立應(yīng)變張量與應(yīng)力張量之間的映射。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其中系數(shù),得到彈性體的本構(gòu)方程。
應(yīng)變張量與應(yīng)力張量之間的映射表達(dá)式:
σij:εkl→σij
(6)
其中:σij表示應(yīng)力張量;εkl表示應(yīng)變張量。
Cauchy方法建立的模型在理論上和數(shù)學(xué)形式上都比較簡(jiǎn)單,應(yīng)用面廣,使用方便。由于構(gòu)建模型時(shí)沒(méi)有考慮時(shí)間因素的影響,只適用于簡(jiǎn)單加載。實(shí)際問(wèn)題中需要確定的土木工程材料系數(shù)眾多而復(fù)雜,物理意義不明確,很難由實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確確定。很大程度上限制了這種方法確定模型的適用范圍。擬合的應(yīng)力與應(yīng)變曲線函數(shù)形狀有:折線型、雙曲線型、對(duì)數(shù)曲線型等。此方法常用來(lái)分析多孔結(jié)構(gòu)材料[10]。
1.2.2.2低彈性體模型
該模型從應(yīng)力與應(yīng)變時(shí)間變化率出發(fā),引出低彈性體的概念,采用簡(jiǎn)單變率理論的理想模型。按照0次對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的應(yīng)變速率張量齊次線性關(guān)系,建立低彈性體的當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)張量和當(dāng)前應(yīng)變率張量到當(dāng)前應(yīng)力率張量的映射。
(7)
或者:
dσij=Dijkl(σmn)dεkl
(8)
低彈性體模型考慮了時(shí)間因素對(duì)土木工程材料的應(yīng)力和應(yīng)變的影響,用簡(jiǎn)單變率理論表述了二者的密切相關(guān)性,較好地描述了土木工程材料非線性彈性。此模型由于應(yīng)力與應(yīng)變的非線性和時(shí)間因素導(dǎo)致應(yīng)力主軸與應(yīng)變主軸不重合,出現(xiàn)正應(yīng)力和剪應(yīng)變之間出現(xiàn)耦合,土木工程材料顯示彈性各向異性。但低彈性模型一般不能反映土木工程材料的剪脹性及壓縮與剪切的交叉影響[11]。
土木工程材料具有彈性各向同性,彈性在各個(gè)方向相同,與方向無(wú)關(guān)。對(duì)于彈性各向同性的土木工程材料各個(gè)方向上具有相同的彈性常數(shù)。彈性常數(shù)為兩個(gè),用彈性模量E和Poisson比γ表示。在線彈性階段,土木工程材料主應(yīng)力與主應(yīng)變方向一致,應(yīng)力主軸同應(yīng)變主軸重合。在經(jīng)典彈性力學(xué)中,三個(gè)應(yīng)力不變量表達(dá)式[12]為:
第一應(yīng)力不變量:
I1=σii
(9)
第二應(yīng)力不變量:
(10)
第三應(yīng)力不變量:I3=|σij|
(11)
其中:σij為土木工程材料任意一點(diǎn)的應(yīng)力張量。Ii(i=1,2,3)為土木工程材料一點(diǎn)的第i應(yīng)力不變量。
土木工程材料任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)σij隨坐標(biāo)系改變發(fā)生變化,但對(duì)于該點(diǎn)三個(gè)應(yīng)力不變量Ii(i=1,2,3)在線彈性階段,表達(dá)式形式和數(shù)值不隨坐標(biāo)系改變而發(fā)生變化。土木工程材料為彈性各向同性材料。少數(shù)土木工程材料在線彈性階段具有彈性各向同性。
土木工程材料具有彈性各向異性,彈性在不同的方向上,具有不同的彈性性質(zhì)。土木工程材料的彈性常數(shù)與方向有關(guān),不同方向上彈性常數(shù)不相同。具有彈性各向異性的土木工程材料稱為彈性各向異性材料。在線彈性階段,土木工程材料三個(gè)應(yīng)力不變量的形式和數(shù)值隨坐標(biāo)系改變而改變。土木工程材料表現(xiàn)為彈性各向異性。在非線性彈性階段,土木工程材料應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系非線性,主應(yīng)力與主應(yīng)變方向不一致,應(yīng)力主軸同應(yīng)變主軸不重合,土木工程材料為彈性各向異性。土木工程材料在非線性彈性階段具有彈性各向異性。彈性正交各向異性材料是彈性各向異性材料中常見的一種。
1938年美國(guó)和蘇聯(lián)的科研人員發(fā)現(xiàn)有的金屬具有形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect,SME)[13]。隨著時(shí)間推移,科研人員通過(guò)對(duì)材料研究,發(fā)現(xiàn)了大量具有形狀記憶效應(yīng)的材料。材料的形狀記憶效應(yīng)現(xiàn)象的研究也得到了進(jìn)一步發(fā)展。形狀記憶材料是指在一定條件下發(fā)生一定限值內(nèi)的變形,改變材料的外界條件,材料變形消失,恢復(fù)到原來(lái)形狀的材料[14]。形狀記憶材料包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶高分子聚合物和凝膠。形狀記憶材料研究主要集中在特定溫度下發(fā)生熱彈性(或應(yīng)力誘發(fā))馬氏體相變或玻璃化轉(zhuǎn)變,能記憶材料特定的形狀。隨著新型的擴(kuò)展性材料的出現(xiàn),人們提出了智能材料[15]。智能材料的應(yīng)用已經(jīng)普及到工程的各個(gè)領(lǐng)域,同我們的生活息息相關(guān)。
土木工程材料在荷載作用下處于彈性階段的記憶性賦予土木工程材料智能化。土木工程材料在外力作用下發(fā)生變形,當(dāng)外力去除掉,它能恢復(fù)到原來(lái)大小和形狀,對(duì)原來(lái)大小和形狀具有記憶性。在外力刺激下,土木工程材料的彈性是土木工程材料大小和形狀記憶的具體表現(xiàn)。
土木工程材料在線彈性階段,加載曲線和卸載曲線為同一直線,在卸載過(guò)程中顯示沿加載曲線卸載,記憶加載路徑,土木工程材料具有記憶應(yīng)力(應(yīng)變)過(guò)程行為。同時(shí),土木工程材料卸載后能恢復(fù)到原來(lái)初始應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài),具有記憶初始應(yīng)力(應(yīng)變)狀態(tài)行為。在外力刺激下,處于線彈性階段的土木工程材料具有應(yīng)力(應(yīng)變)記憶行為。在非線性彈性階段,有些土木工程材料加載曲線與卸載曲線吻合,應(yīng)力同應(yīng)變同相,土木工程材料具有應(yīng)力(應(yīng)變)記憶行為。有些土木工程材料加載曲線與卸載曲線不吻合,卸載時(shí)卸載曲線不沿加載曲線發(fā)生變化,卸載曲線中應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力小于加載曲線中的同一應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。土木工程材料對(duì)應(yīng)力(應(yīng)變)過(guò)程不具有記憶行為。土木工程材料只記憶初始應(yīng)力(應(yīng)變)。當(dāng)卸載到線彈性階段時(shí),加載曲線與卸載曲線吻合,應(yīng)力與應(yīng)變同相,土木工程材料又具有應(yīng)力(應(yīng)變)記憶行為。
當(dāng)土木工程材料在外力作用下,土木工程材料的彈性有一定的限度稱為土木工程材料的彈性極限。不同的材料其彈性限度各不相同。試件應(yīng)力最大值不超過(guò)某一極限值時(shí),若外力作用停止,其形變?nèi)肯Ф謴?fù)原狀。當(dāng)土木工程材料在外力作用下,應(yīng)力值超過(guò)彈性應(yīng)力極限時(shí),土木工程材料不再表現(xiàn)為彈性,變形階段變?yōu)樗苄宰冃坞A段。在這一變形階段中,卸載時(shí),加載曲線與卸載曲線不重合,變形出現(xiàn)永久不可恢復(fù)變形。土木工程材料不再具有大小、形狀和應(yīng)力(應(yīng)變)記憶行為。