摘要：沥青混凝土材料作为路面工程中最常用的结构材料，具有良好的强度、耐久性、温度稳定性。近年来，我国沥青混凝土基础理论不断完善和土木工程技术迅速发展，沥青混凝土本构模型的研究对未来材料应用发展，具有重要的意义。本文介绍沥青混凝土本构关系发展概况，对本构模型进行了简要分析。
关键词：沥青混凝土；本构模型
1概述
本构关系作为一种常用的反映物质宏观性质的数学模型可以充分体现沥青混凝土应力-应变关系。混凝土是一种以水泥为胶凝材料的多组分多相非匀质的复合材料，其本构模型的研究对认清混凝土强度的形成、破损的过程与机理以及如何设计和计算强度具有重要的意义。徐变与收缩、温度、材料本身的组成和特性等都可以影响沥青混凝土的本构关系。因此，考虑各种效应组合在混凝土本构模型研究中能够准确、合理的描述出沥青混凝土的材料特性。
2沥青混凝土本构模型的发展
早在上个世纪五十年代，沥青混凝土的本构关系研究就取得初步进展。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1953年，通过刚性机对沥青混凝土进行受压实验，得出了沥青混凝土的强度特性关系，随后将Blot得出的线性粘弹性理论和Onsage的不可逆热力学理论有机结合得出了内蕴时间理论，但是针对弹塑性变形是不太适合的；1970年，Duncan，J.M.和Chang,C.Y.二人基于不遵守摩尔-库仑强度理论的破坏准则，针对土的应力-应变非线性分析提出了邓肯-张非线性弾性模型，目前国内外研究沥青混凝土本构关系采用这种模型来描述，广泛应用到沥青混凝土弹性非线性分析之中[1]；Mazars利用单轴实验曲线，提出了损伤本构模型，该损伤模型的各个方向的受力是相通的并且能与单轴实验结果恰好吻合，利用单轴实验得到的模型不适用于三轴受力的情况，仅仅可以区分受拉和受压损伤，不能反映多个方向荷载作用下的损伤情况；1987年，我国[2]凤加骥，葛毅雄等人基于邓肯-张模型，通过实验分析提出了反映沥青混凝土的应力-应变关系修正的双曲线模型，并指出沥青混凝土受载作用下应力-应变关系并不与邓肯-张模型是完全符合的，强度破坏也是不服从摩尔-库仑强度理论的；2005年，[3]Vassilis P Panoskaltsis 等人通过沥青混凝土剪切加载条件的实验结果和偏张耦合作用特征，提出超弹性-粘塑形本构模型，模型本身考虑了骨料的各项异性对应力不变量进行类修正，通过摩尔-库仑剪切理论引入损伤变量研究沥青混凝土在受力过程产生的不可逆变形，建立了损伤性超弹性本构关系；基于沥青混凝土动态试验，我国姜锡权等人朱王唐本构模型，他们认为应力-应变关系曲线呈现非线性状态是由于材料的内部损伤导致的，并不是由于材料本身的非线性弹性造成的，所以他们进一步提出了非线性弹性本构模型。
3沥青混凝土本构模型简析
沥青混凝土作为现代道路路面结构的主要材料之一，因其具有良好的力学性质和路用性能，被广泛应用于各类道路路面。在现代公路运输系统中，沥青混凝土的本构关系模型的建立，有助于较好的描述应力-应变状态。但是由于沥青混凝土材料组成的非均质性、复杂性，本构关系模型的选取对实验结果影响很大。沥青混凝土内部受载的关键点，在于其本构关系精准与否。近年来，在计算机技术和有限元技术迅猛发展的浪潮中，极大推动了沥青混凝土本构关系模型的进一步发展，国内外众多学者致力于寻找出真正反应沥青混凝土这一复杂工程材料工作机理的本构模型。所以，为了更好的获得具有良好力学性质、路用性能的工程材料和材料性质研究，提出一种能够准确反映材料受力性质的本构关系模型是学者们致力解决的重中之重。
4现有本构模型的分类
目前本构关系分类包括线弹性模型、非线弹性模型、塑性理论模型和其它力学模型。描述材料的受力状态的线弹性模型是最早用来进行沥青混凝土结构受力分析的，但是随着对沥青混凝土了解的逐步深，这套理论对结构受力分析出现了一定的局限性。非线弹性模型是在实验数据的基础上建立的，但是由于所依据的数据量不是很大，所得出的结论并不适用于所有的受力状态，也局限在普适性和实用性的层面上。塑性力学理论是基于单轴实验结果推至三维立体空间的，但是究其形式、计算复杂，还有很多问题需要进一步解决。
4.1线弹性模型
线弹性模型作为迄今为止发展最成熟的沥青混凝土材料的本构模型，可以较好地描述出混凝土受压和受拉时的性能，也同时适用于描述混凝土其他受力情况的初始阶段，这类模型运用到有限元分析中已经有了很多成功的例子。此外，线弹性本构模型可以用于复杂体型结构的初步分析和近似计算和选用不同本构模型对其计算结果影响不大的情况。但是这种模型有自己的局限性，其仅仅可以适用于初始受力状态，描述应力水平较低、塑性变形很小的沥青混凝土，一旦预应力结构或者受约束结构开裂之后，这种本构模型随之失效。总体来说，线弹性本构模型在描述混凝土的结构受力和计算精度有一定的限制。
4.2非线弹性模型
非线弹性模型是一种基于实验数据回归分析得出的，在单调比例加载情况下有较高的精度，计算式和参数值简明直观，易于理解和应用，目前在工程中一般情况均能适用，它能够描述沥青混凝土受力变形的主要特点。目前应用较多的有非线弹性全量式本构模型来描述比例、单调加载情况，如Ottosen本构模型；对于正交各向异性非线性弹性材料，常采用增量式本构模型，这种模型适用于按比例一次加载的情况，如Darwin-Pecknold增量本构模型。非线弹性本构模型突出描述了沥青混凝土加载后非线性变化的特点，不能应用于卸载、加卸载循环和非比例加载等情况。
4.3塑性理论模型
塑性理论模型是基于塑性力学建立提出的，这种本构模型描述了两种情况：当沥青混凝土的受力不足以屈服时，材料的应力和应变成正比；当沥青混凝土受力屈服以后，材料的应力不再改变，而应变则继续增大。国内外学者建立了很多塑形理论本构模型，如基于內时理论的內时理论模型，苏联学者卡恰诺夫基于损伤力学建立的损伤力学模型和基于断裂力学建立的塑性-断裂模型，这些本构模型大多因其计算难度较大，并没有广泛应用于工程实践中。
5沥青混凝土本构模型研究展望
现今的沥青混凝土本构模型各自有各自的优点，但同时各自又有各自的局限性。因此，如何研究、发展沥青混凝土的本构关系，建立适用于不同工作环境、不同应力响应状态下的沥青混凝土本构关系显得尤为重要。未来，随着以下几个方面的发展，沥青混凝土本构关系模型理论的研究将会更加完善：
1.有限元分析软件和计算机技术的发展，为人们解决复杂庞大的问题和模拟高度非线性问题提供了强有力的工具，同时为研究学者们完善沥青混凝土本构关系模型展示了新的前景。
2.新型的力学理论分支和交叉理论未来的发展，有利于人们更加充分了解沥青混凝土物理力学性质，加深人们对沥青混凝土应力-应变机理的认知层面。
参考文献：
[1]Duncan,J.M.,Chang,C.Y.,Nonlinear analysis of stress and strain in soil[J].J.Soil Mesh.Found.Div.,ASCE,1970,96(5):1629-1652
[2]凤加骥，葛毅雄，孙兆雄.沥青混凝土应力应变关系实验研究.水利学报，1987,11:56-62
[3]刘海.沥青混凝土本构模型及实验研究.硕士.2007
论文作者:郭旺达,王凌霄,张磊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/14
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