混凝土内部分布着大量的微缺陷,包括微裂缝和微空洞等,这是导致混凝土结构非线性的主要因素。在外力作用下,微裂缝可能扩展、汇聚,微空洞可能被压溃,使得混凝土表现出一些典型的非线性力学特性：拉伸和压缩不等性,微缺陷诱发的各向异性,强度软化特性,刚度退化特性,不可恢复变形,应变率效应,变形和损伤局部化等。损伤理论将特征体积范围内的微缺陷平均化,通过在本构关系中引入损伤内变量可以在宏观上考量微缺陷的分布情况和发展水平,从而定量地评价混凝土结构的劣化程度。既可以模拟出混凝土的宏观力学现象,又兼顾考虑了微结构的变化和相互作用,在宏观和细观之间架设了一座桥梁。本文介绍了国内外混凝土损伤理论研究现状,就其中的若干关键性问题诸如损伤面、能量释放率等内容做了深入讨论。进而,基于热力学原理和已有的试验现象对传统的混凝土损伤本构模型进行了发展和应用。(1)改进了弹性损伤模型。在自由能的体积部分引入单边效应函数来考虑裂缝闭合效应。基于弹性损伤能量释放率建立了损伤面,并根据热力学原理来获得损伤演化规律。模型参数相对少,数学表达简单,便于数值计算。通过重力坝的地震响应数值模拟,表明改进的弹性损伤模型在分析大比尺混凝土结构的非线性问题方面具有很好的收敛性和计算效率。(2)改进了各向异性损伤模型。选择二阶张量形式的损伤变量用来描述由于微裂缝的方向性所诱发的各向异性。为了保证名义应力的对称性,构造了体积和剪切损伤效应张量。基于等效损伤变量和等效能量释放率建立了损伤面,并根据热力学原理获得损伤演化规律。模型参数易于标定,算法上可以直接采用显式方法更新状态变量。通过混凝土单轴压缩加载的数值模拟,证明了改进的各向异性损伤模型能够反映混凝土微缺陷分布情况和扩展的方向性。(3)改进了弹塑性损伤本构模型。在有效应力空间中,通过包含了各向同性硬化条件以及罗德角影响的单一屈服面来考虑不可恢复变形。屈服面对平面问题是光滑的,而对三维问题则存在一个尖点。改进了塑性Helmholtz自由能。基于改进模型的数值结果与单轴拉伸和压缩加载、双轴和三轴加载的试验结果较为吻合。对单边缺口梁和双边缺口试件的破坏过程的模拟结果进一步验证了改进模型的能力。(4)在率不相关弹塑性损伤模型的基础上,通过对非弹性应变和损伤变量进行粘性规则化处理,将其扩充成为率相关弹塑性损伤模型,同时通过引入一个弹性附加条件来描述混凝土弹性阶段的率相关性。对不同应变率下混凝土压缩试验的数值模拟,验证了改进的率相关损伤模型可以描述其应变率效应。(5)选择位移为非局部化变量,结合前文改进的弹塑性损伤本构模型推导了非局部化损伤本构模型,并应用在结构分析中。通过非局部化位移来计算非局部化能量释放率,从而驱动非局部化损伤的演化。为了消除结构边界伪损伤的产生,考虑了边界效应和损伤的影响,对常数梯度系数进行了修正。通过不同有限元网格划分的单元验证和三点弯曲缺口梁的数值分析,显示了改进的非局部化损伤模型可以模拟混凝土峰值应力后的软化行为以及能够得到有限元网格独立的数值结果。(6)给出了每种损伤模型所对应的数值算法和计算流程。在本构层次的计算上,均采用完全隐式向后欧拉方法离散本构方程,弹性损伤和各向异性损伤模型除了能量释放率和损伤乘子需要Newton迭代以外,其他内变量均可以直接更新。针对弹塑性损伤模型采用了弹性预测-塑性修正-损伤修正的三步乘子分解算法。在塑性修正步中,采用了回退-映射算法,对三维问题分别考虑了光滑部分和尖点处的回退映射。用算法一致切线模量来取代连续一致切线模量,用于保证收敛性。在整体层次的计算上,通过弧长法来解决软化行为所导致的负刚度问题。而非局部化损伤模型的单元刚度则是在局部化损伤模型的单元刚度基础上通过非局部化修正得到的,只需拓宽局部化损伤模型的单元刚度矩阵的带宽,就可直接将其移植到传统的有限元列式中计算。