强度理论的发展和展望

强度是各种地上、地下、水下和上天结构的共同的最基本要求。强度理论是研究材料在复杂应力下屈服和破坏规律的学科。由于各种土木、水利、机械、航空、军工等工程结构中的材料,大多处于复杂应力作用下,因此强度理论得到广泛的研究和应用。强度理论是各种工程结构强度计算和设计必需的基础理论。它们也是固体力学、材料强度学研究从弹性到塑性,从弹性到软化或硬化,从弹性到脆塑性,以及从线性到非线性的开始。对材料在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的发展进行了总结。给出了 80 多种准则的方程式,反映出强度理论研究的“百花齐放,百家争鸣”。讨论了各种准则的分类和它们之间的关系,以及在研究和工程应用中的合理选择破坏准则问题。还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论。 最后讨论了强度理论的发展展望,包括:真三轴试验和假三轴试验;强度理论的经济效益;各向异性材料和复合材料的破坏准则;多孔隙材料和多相材料的破坏准则;其它各种特殊材料的强度理论;安定性、多轴疲劳、蠕变、损伤、断裂和相关现象;强度理论的计算机程序实施和角点奇异性;特殊环境下的强度理论问题;强度理论的美;强度理论研究的不同层次。 在连续介质和工程应用的框架下     

广义合成偏应力椭球模型

本文从应力椭球的概念出发，建立了反映岩土类材料屈服与破坏的广义合成偏应力椭球屈服准则，该准则不仅反映了偏斜应力和静水应力对材料的屈服与破坏的贡献，而且反映了岩土类材料的屈服与破坏与静水应力呈非线性的关系以及静压屈服的特性。将该模型应用于混凝土，其结果与公开发表的文献和实验数据取得了很好的一致性。     

基于弹头型屈服的轻骨料混凝土强度准则

试验表明轻骨料混凝土和普通混凝土在多轴应力下具有不同的力学特性和破坏规律,因此那些针对普通混凝土建立的强度准则将不能完全适用于轻骨料混凝土。考虑到轻骨料混凝土和岩土材料具有相似的破坏特征,该文适当的调整了岩土材料的弹头型屈服函数作为子午线方程,并选取了William-Warnke模型的椭圆曲线作为π平面形状函数,建立了一个连续、光滑、封闭的弹头型轻骨料混凝土强度准则。该准则克服了二次抛物线型强度准则不光滑和椭圆型强度准则在高静水压力下过于保守的缺陷,能够较好的描述轻骨料混凝土破坏曲面的几何特征。利用最小二乘法量化了强度准则,通过与试验数据对比,验证了所建议的弹头型强度准则的合理性。     

公路高切坡施工过程及防治技术

随着高切坡防治新结构、新材料、新技术和新工艺等成果不断涌现,笔者就如何确保施工过程及工后安全,保证防治结构的有效合理、施工过程的优化等进行了分析,并对高切坡破坏机理、高切坡岩土安全理论、高切坡稳定寿命、高切坡监测评价等方面作了深入的研究。     

基于塑性理论的钢筋砼简支深梁的抗剪强度研究(一)

根据混凝土的塑性理论及极限分析的上限方法,探讨了求解钢筋混凝土简支深梁的抗剪强度的数值计算方法。材料性质采用理想的刚塑性模型,混凝土屈服准则采用不考虑混凝土拉应力的修正的库伦屈服准则。分析了钢筋混凝土简支深梁发生塑性剪切破坏时屈服线的形状以及屈服线上混凝土和钢筋的能量耗散情况。最后从能量守恒的原理出发,即屈服线上的混凝土和钢筋消耗能量等于外荷载所做的功,导出了深梁剪切破坏荷载比例因子的隐函数表达式,对此隐函数进行优化求解,得到了深梁发生塑性剪切破坏的极限荷载。     

高性能碳-玻璃纤维布加固混凝土梁的非线性响应

针对高性能碳-玻璃-环氧树脂(CF-GF-EP)混杂纤维布加固钢筋混凝土(RC)梁,研究了一种三维非线性混杂组合单元,并推导了统一单元模式,对RC梁的刚度退化、应力重分布等进行了分析。首先根据实体退化单元理论,研究了组合单元模拟RC梁,并利用选择积分技术推求了高性能CF-GF-EP纤维布单元对混杂组合单元刚度矩阵的贡献。运用Jiang屈服准则、Hinton压碎准则和Madrid强化准则等描述混凝土材料非线性,研制了相应的三维非线性分析程序。与试验资料对比分析可知,计算结果与试验数据吻合良好,表明本文构造的非线性单元模式的正确性和研制程序的可靠性,推导的混杂组合单元能准确用于混杂CF-GF-EP纤维布加固RC梁的非线性响应分析。加载初期高性能CF-GF-EP纤维布加固梁未有明显的刚度折减,其后达到屈服荷载和极限荷载时,加固梁刚度折减系数分别约为0.6和0.9。在开裂荷载前,高性能CF-GF-EP纤维布应力发展较为平缓且应力重分布系数变化较小,其后应力重分布系数逐渐增大直至结构失效。     

材料三剪屈服准则研究

在分析Tresca屈服准则和双剪屈服准则的基础上,通过考虑十二面体单元主剪面上所有三个主剪应力的共同作用,提出了材料的三剪屈服准则,并对该准则作了极限线分析、应力莫尔圆分析、中间主应力效应曲线分析和滑移面方向分析。结果表明,新准则与统一屈服准则一样表示的是一个屈服准则系列,其中Tresca屈服准则和vonMise屈服准则是该屈服准则的特例。但与双剪统一屈服准则不同,新屈服准则的极限线和中间主应力效应曲线是非线性的,能够描述材料的非线性屈服特性。另外,也克服了双剪统一屈服准则中存在的在某些特定应力状态下会得出双重滑移面并且滑移面方向会发生变化的问题。     

用统一强度理论求解轴对称混凝土板的冲切强度

本文采用统一强度理论作为混凝土的破坏准则，求解了轴对称混凝土板的冲切破坏强度，利用上限定理求出了一组破坏荷载，得出了强度理论参数 对冲切强度的影响曲线。所得的解可以考虑材料的中间主应力效应对冲切破坏强度的影响, 可以灵活地应用于工程上的各种不同材料, 公式形式简单便于应用, 且与已有结果及试验资料符合较好。     

基于非线性强度准则的土工结构安全系数有限元计算

将幂律型广义非线性强度准则应用到土工结构安全系数计算中,令土体强度逐渐降低,直至结构破坏,得到最终的安全系数,并开发了基于幂律型广义非线性强度准则的有限元强度折减法程序。该方法不需事先假设滑裂面,计算方便可靠,能适用于各种复杂地质条件。作为算例,该文分别采用线性和非线性两套指标计算了一常见高土石坝和一机场高填方边坡的安全系数。在线性指标下该文方法与PLAXIS内置有限元强度折减法计算结果一致,相对非线性指标,线性指标计算的滑裂面偏浅,计算的安全系数大小随线性参数的确定方法不同而不同。建议使用非线性强度指标计算高围压下土工结构的安全系数。     

深基坑开挖的计算机模拟及稳定性分析

本文采用三维非线性有限元程序，对深基坑开挖过程进行逐步计算机模拟，通过选择合理的分析模型和屈服准则，分析了开挖过程中基坑周围的应力分布，位移分布以及塑性破坏区的产生与发展趋势，从而为进一步进行深基坑支护设计提供了依据。     

基于二阶组构张量的各向异性屈服准则

将四个屈服准则:Tresca准则、Mises准则、Mohr-Coulomb准则以及Drucker-Prager准则归类为剪切屈服准则。Tresca准则和Mohr-Coulomb准则是关于最不利截面的剪切屈服准则,而Mises准则和Drucker-Prager准则是关于各方向截面的剪应力和正应力的某种综合度量的八面体剪应力和八面体正应力的剪切屈服准则。从方向函数(ODF)的概念入手,将各方向截面的剪应力和正应力综合度量直接取为所有方向截面上的剪应力和正应力的平均。对各向同性材料,提出了平均剪切屈服度准则:当平均剪应力和平均正应力的组合达到某一极限值时,材料开始屈服。研究表明,平均剪切屈服准则与Drucker-Prager准则具有相同的形式,当不考虑平均正应力对屈服的影响时,它与Mises准则具有相同的形式。针对由各向异性损伤导致的材料各向异性强度问题,定义截面上的有效正应力和有效剪应力则分别为截面上的法向力和切向力与有效承载面积之比,基于截面上的有效应力提出了各向异性材料的平均剪切屈服准则。各向异性损伤引起的截面上有效应力放大系数为方向函数,可以采用二阶组构张量来近似表示,在任意坐标系中,各向异性屈服准则为应力分量的二次齐次式,导出了其中的系数与二阶组构张量之间的显式关系式。在二阶组构张量的主轴坐标系内,各向异性屈服准则与殷有泉的拓展Hill准则形式完全相同,当不考虑正应力对屈服的影响时,它与Hill准则具有相同的形式。     

碳纤维增强复合材料筋混凝土梁非线性力学性能

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)筋混凝土梁的非线性力学性能,基于非线性理论推导了CFRP筋梁的有限元分析模型：对4个预应力CFRP筋混凝土梁进行了非线性全过程分析,考察了预应力CFRP筋、GFRP筋和普通钢筋的应力发展规律。与试验资料对比可知,计算结果与试验数据吻合良好,说明采用弥散裂缝模式、Owen屈服准则和Hinton压碎准则能较好地描述混凝土开裂、屈服和压碎特性,同时也说明了CFRP筋及其力学效应用组合单元模拟的有效性以及本文中研制程序的正确性。CFRP筋具有高强度性能,梁试件破坏时CFRP筋均未失效;与受拉区配筋为钢筋相比,GFRP筋在全过程中处于弹性阶段。     

岩土屈服研究及边坡抗滑桩有限元分析

本文通过研究岩土的屈服与破坏准则,结合有限元软件ansys,对边坡和桩的受力情况进行模拟,分析在顺倾向边坡体的前缘部位开挖公路,进行抗滑桩支护的情况下,坡体的应力应变分布,以及抗滑桩的受力特点,为公路开挖,边坡防护,滑坡抗滑提供技术支持。     

均布载荷作用下简支圆板塑性极限载荷的解析解

该文建立了受均布载荷作用简支圆板运动许可应变场,并首次以EA(等面积)屈服准则进行了塑性极限分析,获得了极限载荷的解析解。该解为圆板半径a、圆板厚度h以及屈服强度的函数。与Tresca、TSS以及Mises解比较表明,Tresca屈服准则预测极限载荷的下限,TSS屈服准则预测极限载荷的上限,EA和Mises屈服准则预测的极限载荷恰居二者中间,且EA解几乎与Mises解重合。此外,该文还讨论了挠度与相对位置r/a之间的变化关系。     

FRP加固轴心受压木柱应力-应变模型

在Tsai-Wu强度准则的基础上,建立了三向受压木柱的屈服准则及随后的屈服面发展方程。根据内力平衡和应变相容的原理,提出了FRP加固木柱轴心受压时的增量应力-应变关系模型。提供了12根CFRP和GFRP环向加固木柱的轴心抗压性能试验数据。计算结果和试验数据比较表明,在达到加固木柱极限抗压强度之前两类结果吻合较好,而之后计算结果明显偏高。试件的工作机理表明,在达到加固木柱极限抗压强度时,环向受拉FRP中的应变很小,远小于其极限抗拉应变。此外,提出了加固木柱与极限抗压强度相对应的环向应变计算公式,并将之用于计算模型程序运算的结束条件。根据Bazan-Buchanan准则,将加固木柱极限抗压强度之后的σ1-ε1曲线简化为下降的直线,与试验结果吻合较好。提出模型可用于进行工程分析和设计。     

U形CFRP条带混锚加固混凝土梁抗剪试验

为解决纯粘贴U形纤维增强聚合物基复合材料（FRP）加固钢筋混凝土梁中FRP端部容易发生剥离破坏等问题,自主研发了对纤维布条带端部进行自锁锚固的方法和锚板,提出了端锚与粘贴并用的混锚U形条带抗剪加固方法。通过2根未加固梁、1根纯粘贴和2根混锚U形碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）带抗剪加固梁的对比试验,证实了混锚抗剪加固的有效性：混锚能够对纤维带端部进行可靠锚固,阻止端部剥离破坏的发生,实现纤维拉断破坏,大幅度提高材料强度利用率。混锚加固在抑制混凝土梁斜裂缝开展、延缓箍筋屈服、提高箍筋和CFRP的极限应变以及提高抗剪承载力等多个方面的表现均明显优于纯粘贴加固。     

岩石三维强度准则的研究

结合非线性统一强度理论与Hoek-Brown强度准则,以Hoek-Brown强度准则构建子午面上的强度曲线,以非线性统一强度理论构建偏平面上的强度曲线,通过应力空间变化方法将子午面上强度曲线与偏平面上强度曲线进行结合,从而建立一种新的岩石三维强度准则。建立的强度准则在子午面上为非线性,考虑岩石材料的静水压力效应;在偏平面上强度线涵盖了从上限Drucker-Prager圆到下限Matsuoka-Nakai曲线之间的所有区域,可较好模拟岩石材料的中间主应力效应。强度面光滑、外凸,可用于建立岩石的屈服函数。强度准则共有3个材料参数m_t、σ_c、m_i,各参数可通过岩石试验数据确定且具有明确的物理意义。另外,该文提出一种m_t的近似求解公式,总的参数可退化为σ_c和m_i,与Hoek-Brown准则基本参数一致,可由岩石常规三轴压缩试验按Hoek-Brown提出的回归公式确定。与国内外学者已开展的岩石材料三轴试验结果进行对比,建立的强度准则与试验数据吻合良好,可合理描述岩石材料的非线性强度特性。其次,通过引入地质强度指标GSI,建立的强度准则可应用于较为完整的岩体（GSI>25）,对于较为破碎岩体（GSI<25）需做进一步的研究。     

键槽构造UHPC-NC界面黏结性能试验研究

采用超高性能混凝土(UHPC)加固桥梁,UHPC与既有普通混凝土( NC)结构界面间的黏结性能是保证加固效果的关键.为研究界面构造对UHPC-NC界面黏结性能的影响,以键槽布置和形状为变量,开展键槽构造UHPC-NC单面直接剪切试验,并与界面黏贴处理试件进行对比.结果表明:UHPC-NC黏结界面的破坏形态主要可分为四种,其中c、d类破坏(黏结界面与NC出现破坏)占总破坏形态的80% ;键槽构造组的界面黏结性能优于黏贴组,其界面黏结抗剪强度比黏贴组高2倍左右;当键槽口宽度较小(10～20 mm)即体积损失率低于0. 09时,UHPC-NC界面黏结抗剪强度随键槽口宽度的增大而增大;正梯形键槽试件的界面黏结抗剪强度比直角形键槽试件高25%左右,倒梯形键槽试件的界面黏结抗剪强度比直角形键槽试件高13% ～15% ;键槽构造UHPC-NC界面黏结-滑移曲线包含弹性上升阶段、屈服阶段和破坏下降阶段,部分曲线无屈服阶段,其极限滑移值均在0. 8 mm以下.本工作提出了键槽构造UHPC-NC界面黏结-滑移模型,并给出了黏结刚度建议值.     

岩土动力极限应变判据在边坡稳定分析中的应用

岩土材料受力从弹性进入塑性,最终发展到破坏,材料的屈服与破坏不同,屈服表示材料从弹性进入塑性状态,破坏表示从塑性发展到工程失稳。对于理想弹塑性材料,应力表述的判据难以区分屈服与破坏,为此提出采用极限应变作为岩土材料的破坏判据。给出了岩土材料动力极限应变的求解模型与方法,并以动力极限应变作为破坏准则,它既可以表述动力作用下材料的点破坏或开裂破坏,当点破坏贯通形成破坏面时,还可以表述材料整体破坏。通过地震作用下动力边坡工程算例,得到边坡滑体起裂的位置、演化过程和起裂极限荷载;当边坡中极限应变区贯通时得到边坡整体破坏极限荷载,并与数值极限分析中(超载法、强度折减法)采用位移不收敛破坏准则的计算结果比较,基本一致,验证了极限应变法在动力分析中的可行性。     

用有限元强度折减法进行边坡稳定分析

通过对边坡非线性有限元模型进行强度折减,使边坡达到不稳定状态时,非线性有限元静力计算将不收敛,此时的折减系数就是稳定安全系数,同时可得到边坡破坏时的滑动面。传统条分法无法获得岩质边坡的滑动面与稳定安全系数。该方法开创了求岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。文章对此法的计算精度以及影响因素进行了分析。算例表明采用摩尔-库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与简化Bishop法的误差为3%～8%,与Spencer法的误差为1%～4%,证实了其实用于工程的可行性。