基于不同本构模型的混凝土结构地震倒塌对比分析

基于混凝土材料本构模型,结合精细化结构单元模型和高效稳定的数值算法,实现了混凝土结构的动力倒塌全过程分析。对建模方法、结构分析方法、材料与构件失效准则等进行了简要介绍。以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例,分别采用混凝土弹-脆性本构模型、弹塑性本构模型和随机损伤本构模型进行了结构地震倒塌全过程分析。结果表明：混凝土本构模型对结构倒塌分析具有重要的基础地位,本构模型选取不当,将给出错误的倒塌模式或分析结果;混凝土随机损伤本构模型能够准确地预测结构的强非线性行为,可用于复杂混凝土结构倒塌全过程的模拟。     

波形钢腹板PC组合箱梁疲劳损伤对抗弯承载能力的影响研究

制作两根体外预应力波形钢腹板简支PC组合箱梁,其中第一根梁进行静力全过程试验,另一根梁先进行疲劳试验直至波形钢腹板出现疲劳破坏后进行静力加载全过程试验;得到两根组合箱梁在弹塑性阶段的基本力学性能、典型疲劳损伤特征和疲劳前后的抗弯承载力。根据混凝土材料的S-N曲线和疲劳荷载的实际应力比,推导混凝土材料疲劳损伤后的强度退化规律、总结混凝土割线模量、极限应变的退化规律,据此得到混凝土材料疲劳损伤前、后的本构关系;基于截面M-N-Φ关系编制体外预应力简支组合箱梁抗弯承载力的非线性全过程分析程序,对两根试验梁进行全过程加载的模拟分析,理论与试验结果吻合良好;两者均表明波形钢腹板的疲劳损伤对组合箱梁抗弯承载力影响不大,但会大大降低结构的延性。     

循环荷载下岩体结构面本构关系与积分算法研究

地下结构中广泛存在的各种不连续面是影响岩体工程力学特性的重要因素,研究结构面在循环荷载作用下的力学行为具有重要的工程意义。基于非关联塑性理论,同时定义加载剪胀段和反向剪缩段,建立了岩体结构面剪胀与塑性耦合本构关系;从结构面的基本损伤机制出发,基于拉、剪分离的思路,建立了一类基于能量原理的岩体结构面拉、剪损伤本构模型,该模型基于有效应力空间塑性力学基本原理,定义了岩体结构面拉、剪塑性Helmholtz自由能分量及损伤能释放率,建立了岩体结构面拉、剪损伤破坏准则。针对结构面在循环荷载作用下的强非线性问题,引入算子分解的思想,将弹塑性演化与损伤演化过程分开进行求解,提出了结构面弹塑性损伤本构关系的混合积分算法。分别进行了岩体结构面直剪和循环剪切试验的数值仿真,计算结果与模型试验基本一致,表明该模型在模拟非连续岩体复杂变形方面是合理有效的。     

高层建筑装配式混凝土梁疲劳力学性能试验研究

装配式建筑内经常会由于荷载较大出现混凝土梁疲劳现象,降低了使用寿命。为及时监测混凝土梁的疲劳损伤,延长使用寿命,进行了高层建筑装配式混凝土梁疲劳力学性能试验。基于有限元分析创建混凝土梁装配式部件,设计混凝土梁有限元模型,设置有限元模型的参数;建立疲劳损伤断裂力学模型,分别获取线性裂纹与非线性裂纹内的疲劳损伤应力强度;在损伤模型的影响下,获取疲劳破坏与应力循环次数的线性关系,定义疲劳损伤断裂模型的损伤变量;设定模型边界并划分网格结构,得到高层建筑装配式混凝土梁疲劳力学性能的分析方法。在试验中验证了加载点位置对疲劳破坏裂缝分布具备较大的影响,通过混凝土梁疲劳寿命的测试结果可知,当应力值小于100 k N时,荷载循环次数的降低幅度较小,随着应力值增加,荷载循环次数不断减小直至归零。     

混凝土三点弯曲梁动态断裂破坏的扩展有限元分析

基于扩展有限元理论,模拟混凝土三点弯曲梁在不同加载速率下的断裂破坏过程,研究加载速率对混凝土三点弯曲梁断裂损伤特性的影响。结果表明,不同加载速率下混凝土梁的荷载-挠度曲线以及荷载-开口位移曲线均包含线性上升、非线性上升与非线性下降3个阶段,混凝土梁发生失稳断裂破坏所需的能量会随着加载速率的增大而增大。混凝土三点弯曲梁的应力强度因子增幅会随加载速率的增大而增大。不同加载速率下混凝土三点弯曲梁构件的损伤耗能发展全过程均可被划分为损伤初始阶段、损伤萌发与稳定发展阶段以及损伤不稳定阶段。     

岩石疲劳应力等效化及非线性疲劳变形本构模型

传统的岩石疲劳本构模型对循环加卸载次数敏感性方面存在明显不足,无法准确描述残余变形与疲劳损伤进程的关系。在蠕变与疲劳试验基础上,通过对岩石蠕变和疲劳的时间(循环次数)与变形归一化,分析验证了两者间存在某种"同源性"。运用流变理论描述疲劳荷载下岩石变形全过程,基于等寿命Gerber曲线方程与Goodman直线方程,提出了通过疲劳寿命与应力关系的方式,定义了一种新的疲劳应力等效方法。用村山黏弹塑性体替换Kelvin黏弹性体,并加入开关函数和岩石完整度参数对Bingham黏塑性体进行改造,建立了一种新的7参数岩石非线性疲劳变形本构模型。该模型能较好地表征疲劳荷载下岩石减速、等速和加速疲劳变形的全过程,其加速疲劳变形段的完整度参数随着循环次数N增加而减小,能够体现疲劳损伤对加卸载次数因素的敏感性。     

循环荷载作用下钢材的试验及本构模型研究

为了研究钢材的超低周疲劳性能及循环荷载作用下的本构关系,对50组Q235-B和Q345-B钢材进行超低周疲劳试验。研究了Q235-B和Q345-B钢材的力学性能,如:单调加载性能、滞回性能及滞回准则。通过对钢材全过程滞回性能的研究,建立了循环荷载作用下钢材的简化单轴本构模型。基于有限元软件ABAQUS的用户子程序接口UMAT,用户可自定义钢材的单轴本构属性。通过引入纤维梁单元,可利用单轴本构模型进行结构分析。通过对比各种荷载作用下Q235-B和Q345-B钢材的试验数据,验证了本模型的正确性,利用本模型可进行钢框架的非线性时程分析。试验和数值分析结果均表明:Q235-B和Q345-B钢材在循环荷载和单调荷载作用下的性能有很大不同,钢材屈服后,循环荷载作用下的骨架曲线比单调荷载作用下更高;循环次数和振幅大小对材料韧性的影响很大。当受循环荷载作用时,钢材提前发生颈缩和断裂,这表明累积损伤降低了钢材的韧性。     

混凝土在长期持续荷载下的损伤分析

本文研究了混凝土在长期持续荷载下的徐变和损伤行为.通过比较混凝土在持续荷载的损伤与疲劳损伤的联系,假定持续荷载下混凝土的损伤速率和名义应力强度因子速率成正比,通过滑移裂纹模型考虑了混凝土裂纹扩展演化直至破坏的过程,分析了混凝土在持续荷载下的徐变变形行为和徐变破坏机理,在此基础上研究了不同持续荷载水平下混凝土的强度和变形行为,并分析讨论了加载龄期,强度对混凝土在持续荷载下的性能的影响.与试验结果对比表明,本文的模型可以较好地反映混凝土在持续荷载下的性能.     

循环荷载作用下钢筋与混凝土界面裂纹扩展的模拟

钢筋混凝土的界面脱粘是材料与结构破坏的一个重要方面,循环荷载作用下的界面疲劳问题研究越来越受到关注.基于剪切筒模型和常用加载方式,首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力计算模型;借助断裂脱粘准则和描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系;对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析.     

混凝土弹塑性损伤本构模型研究Ⅱ:数值计算和试验验证

针对建议的基于能量的混凝土弹塑性损伤本构模型[1],将损伤演化和塑性变形解耦,本文建立了模型的弹性预测-塑性修正-损伤修正数值分析框架,给出了无条件稳定的应力更新算法和相应的算法一致性切线模量。在弹性预测-塑性修正过程中,利用谱分解回映算法建立了塑性流动因子和硬化参数的统一迭代格式,减小了有效应力更新的计算量。根据上述数值算法,编制非线性有限元分析程序,对单调和低周反复荷载作用下的混凝土材料和结构试验进行数值模拟,分析结果表明建议的弹塑性损伤本构模型可以较好地描述混凝土材料的典型非线性行为,其数值方法是有效的,为进一步的结构非线性分析应用奠定了基础。     

非均质混凝土破坏过程的细观数值试验

结合细观单元的弹塑性各向异性损伤本构模型,建立了研究非均质混凝土破坏过程及其非线性力学行为的细观数值试验模型。该模型基于混凝土材料细观层次的结构特征,采用Weibull随机分布函数引入材料的非均匀性;同时,为反映加载边界条件如端部约束等的影响,采用Bathe提出的接触问题约束函数法处理不同物体之间的相互作用。运用该模型,对压缩和拉伸加载方式下混凝土的渐进性破坏过程进行了系统性的数值试验,其结果与他人的研究结果基本一致,从而验证了该模型的合理性。该模型为从细观层次研究复杂加载方式下混凝土的渐进破坏过程,进一步揭示混凝土的破坏机理及其非线性力学行为本质提供了一种新的数值试验手段。     

Stochastic analysis of fatigue of concrete bridges

A novel method is proposed in this work for the assessment of the remaining fatigue life and fatigue reliability of concrete bridges subjected to random loads. The fatigue reliability of a bridge is a function of the fatigue damage accumulation; a stochastic fatigue damage model (SFDM) with physical mechanism is introduced for deriving the fatigue damage process. In order to implement the probabilistic analysis, based on the probability density evolution method (PDEM), the generalised density evolution equation (GDEE) for the remaining fatigue life is developed. Finally, a prestressed concrete continuous beam bridge located in China is illustrated. The random fatigue load acting on the bridge is modelled as the compound Poisson process, and the simulation of the random load uses the stochastic harmonic function (SHF) method. To simplify the reliability analysis, an equivalent constant-amplitude (ECA) load process is introduced based on energy equivalence. By employing SFDM, the finite element analysis of the bridge under the fatigue loading is performed. Then, the fatigue damage accumulation process of the bridge under the fatigue loading is obtained. Through solving the probability density evolution equation for the remaining fatigue life, the probability density functions (PDFs) of the remaining fatigue life evolving with time is obtained. The fatigue reliability is then calculated by integrating the PDF of the corresponding remaining life.     

钢-混凝土混合结构振动台试验的弹塑性损伤分析

通过LS-DYNA程序,二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,其中钢材损伤模型采用混合强化准则,可考虑材料的Bauschinger效应;混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数,能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元,建立了结构整体数值分析模型,并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验,验证了数值分析模型的分析精度,数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法,研究表明,应变反演能充分利用应变测试数据,获得材料应力和损伤发展过程,并对结构的性能退化进行评估。     

考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的钢筋混凝土柱抗震性能试验研究与非线性分析

基于柔度法的纤维模型能更高效地计算钢筋混凝土柱的材料强非线性受力特征,但不考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型仍将明显降低其受力后期的数值模拟精度。以8根钢筋混凝土柱抗震性能试验结果为基础,在OpenSees平台上采用可以考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型以及柔度法纤维模型,对柱的滞回性能进行分析。分析结果表明,与小轴压比柱相比,纵筋屈曲对高轴压比柱峰值荷载之后的水平承载力退化影响更明显;对纵筋长径比小于3.0的柱,纵筋屈曲对非线性分析结果的影响可基本忽略;纵筋长径比为5.00~8.75且柱轴压比较小时,纵筋屈曲对分析结果有一定影响,但考虑疲劳损伤的计算结果能更好模拟柱软化段的水平承载力退化特征;柱轴压比较大且纵筋长径比为6.25~7.00时,考虑纵筋屈曲、疲劳损伤均会明显减小承载力退化的计算误差。同时考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的分析结果能更好地反映柱的承载力退化特征。     

钢筋混凝土柱低周疲劳全过程累积损伤性能简化分析方法

为了有效预测地震作用下钢筋混凝土柱的低周疲劳损伤累积程度与损伤后的剩余承载能力,提出了一种 基于单调荷载-位移关系并考虑低周疲劳效应的钢筋混凝土柱损伤承载能力简化分析方法。首先,根据自洽方法 并假设裂纹符合Weibull分布,提出了基于细观机理的混凝土损伤模型,给出了混凝土损伤指标与有效模量、应 变的定量表达式,并通过非线性数值分析得到了钢筋混凝土柱的单调荷载-变形曲线;然后,通过分析纵筋的塑 性低周疲劳损伤,建立了基于割线刚度的钢筋混凝土柱低周疲劳变形性能损伤计算模型,模型参数根据试验研究 获得,推导了柱割线刚度和抗力的衰减规律计算公式;最后,在以上工作的基础上,分析低周疲劳作用对钢筋混 凝土柱底截面混凝土和纵筋应变的累积增大效应,得到混凝土损伤后的有效弹性模量,提出了考虑低周疲劳损伤 后的钢筋混凝土柱承载能力和变形能力计算方法。编制非线性损伤分析程序,对损伤后试验柱进行了计算分析。 结果表明,该方法得到的计算值与试验值的相对误差处于合理范围之内,验证了该方法的可靠性和实用性。     

预应力混凝土构件冻融环境下疲劳数值模拟

基于冻融与疲劳耦合作用下混凝土弹性模量衰减模型、冻融损伤的混凝土疲劳本构模型以及钢筋的疲劳本构方程,通过ANSYS综合各模型的材料参数,模拟预应力混凝土受弯构件在冻融与疲劳交替作用下的疲劳性能,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟的预应力混凝土构件弯曲挠度和上边缘的应变与试验结果吻合较好,所得结果可为实际工程中冻融环境下预应力混凝土疲劳性能的数值模拟提供有效方法.     

基于内聚力模型的FRP布加固混凝土梁柱子结构受力性能分析

FRP-混凝土界面力学性能是影响FRP加固结构承载力的重要因素。建立了可模拟FRP布加固结构黏结界面非线性软化力学行为的双线性内聚力单元,考虑混凝土与钢筋的材料非线性,进行了FRP布加固混凝土梁柱结构静力加载全过程有限元分析。分析了FRP布及黏结界面的应力变化、界面与结构破坏机制以及结构的承载力,与试验以及不考虑界面黏结滑移的有限元分析结果进行了比较,以验证方法的合理性,并提出了改进FRP环形箍布置方式。有限元分析结果表明：FRP布的拉应力、黏结界面应力与损伤变量等呈现节点区域大、跨中小的分布特点,剥离破坏随加载过程由节点域向跨中扩展,混凝土开裂后,FRP布与钢筋共同构成了悬链线机制;有限元分析所得结构破坏过程与试验的基本一致,揭示了黏结界面退化对FRP布加固混凝土结构受力性能的影响,所得各阶段最大荷载与试验结果的相对误差小于5%;不考虑黏结界面性能的退化与FRP布的剥离,则高估了悬链线阶段FRP布的贡献以及加固结构的承载力。黏结界面内聚力模型可为FRP布加固框架结构的受力性能分析提供参考。     

混凝土宏观本构模型研究进展

近年来,随着结构工程的快速发展,对结构在罕遇地震和风载作用下的精准数值模拟与性能化设计提出了更高需求.结构工程中的混凝土属于准脆性材料,试验表明混凝土具有显著的受压软化、受拉软化、剪切软化和捏拢效应等特性.针对上述特性,概述了结构工程数值模拟中常用的6种混凝土数值模型,包括非线性弹性模型、脆性裂缝模型、弹塑性裂缝模型、...