全局性能水准与构件局部损伤状态

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

基于性能的基础隔震结构地震易损性分析

对基础隔震结构进行基于性能的易损性分析。首先,建立了基础隔震结构基于拟力法的能量方程,提出基于变形和隔震层塑性耗能的损伤指标,定义隔震结构的四个损伤性能状态;然后,对隔震结构进行动力非线性分析,计算得到两种损伤指标的损伤值;最后,对损伤值进行线性统计回归分析,推导出结构发生各级破坏的概率计算公式,从而分别得到隔震结构基于两种损伤指标的易损性曲线。研究表明,基于隔震层塑性耗能的损伤指标更能合理反映该结构的损伤程度,为基于性能的隔震结构易损性分析提供了新的思路和方法。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅰ.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

空间钢构件考虑损伤累积效应的恢复力模型及试验验证

本文从损伤对钢材性能的影响出发,根据弹塑性损伤铰概念,提出了一种考虑损伤累积效应的空间钢构件非线性恢复力模型,并在这一模型的基础上建立了空间钢构件考虑损伤累积效应的弹塑性刚度矩阵。最后,把试验测得的试件位移曲线和利用模型计算的试件位移曲线进行对比。对比结果表明,试验位移曲线和计算和位移曲线吻合得较好,这说明本文瓣考虑损伤累积效应的空间钢构件非线性恢复力模型的正解性。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:I.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

地铁车站增量动力分析的极限状态判定方法

表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态.本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角作为特征指标.以上海某多层地铁车站为背景,建立了土-结构二维有限元模型,采用增量动力分析法研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

LIMIT STATE DETERMINATION FOR A SUBWAY STATION STRUCTURE BY INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS1)

-5 表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态. 本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角 作为特征指标. 以上海某多层地铁车站为背景,建立了土--结构二维有限元模型,采用增量动力分析法 研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角 的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

基于β-二项分布的结构易损性分析

易损性曲线建立过程中受激励不确定性和结构参数不确定性的影响,会引起结构或构件观测结果的统计相关性。为此,本文提出基于β-二项分布的结构易损性分析方法。该方法根据性能量化指标阈值和Monte Carlo模拟确定震后观测结果,采用β-二项分布探讨震后观测值的统计相关性;结合对数回归模型,推导了改进β-二项分布的累积分布函数,计算结构失效概率;通过累积对数正态分布拟合易损性曲线,比较了观测失效样本数与观测失效概率统计相关性对易损性的影响,并与未考虑统计相关性的传统易损性曲线作对比。某8层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的算例表明,考虑统计相关性的易损性较传统易损性偏大,且结构遭受8度以上地震作用时,考虑失效样本数统计相关性的易损性使预测结果更为保守,利于工程安全。     

岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、侧向位移的分布和单元应力应变曲线。本文运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、侧向位移和单元应力应变曲线的影响,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及侧向位移的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时,塑性等效应变图案为上下两个X形网络,侧向位移上下分布均匀;当接触面摩擦增大时,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增大,侧向位移上下分布不均匀,中部较上下端面位移大;当试件端面侧向位移被限制,即摩擦力很大时,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带,侧向位移分布更加不均匀,中部明显隆起。     

预估在非比例加载下薄金属板成型极限的损伤基力学模型

探讨了用损伤基力学模型研究应变路径对薄金属板塑性失稳的影响,这种力学模型考虑了材料损伤作用．基于这种模型,在等效应变空问建立了考虑损伤的塑性失稳判据,并用以预估在比例或非比例加载下薄金属板成型极限曲线(FLC)．借助这种理论模型和方法,预估薄金属板的理论成型极限曲线与Graf和Hosford的实验结果一致。     

基于冗余度与易损性的结构抗震能力提升方法研究

为提升结构整体性能和抗震性能,基于结构构件应变能对材料弹性模量的敏感性及其失效后结构的应变能变化量,建立了结构易损性与冗余度评价指标,以衡量在地震作用下构件发生破坏的容易程度及其失效后对结构整体性能的影响.考虑地震作用下结构构件冗余度及易损性差异,通过加强低冗余-高易损构件,同时削弱高冗余-低易损构件,合理调整各类构件截面面积.结果 表明,构件的冗余度和易损性可以准确反映地震作用下结构构件的重要性及发生破坏的容易程度,考虑构件冗余度及易损性差异,调整结构构件面积,可有效提升结构的整体性能及抗震性能.     

哈大客运专线沈阳高铁站弹塑性时程分析

以哈大客运专线沈阳站为工程背景,对该结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。通过SAP2000有限元软件研究结构的动力特性、变形状况、基底剪力时程曲线,分析了框架梁、柱的塑性损伤发展历程、拱桁架的塑性铰出铰机制以及关键框架梁、柱构件的塑性损坏状态。结果表明:结构在7度罕遇地震作用下基底剪力与多遇地震下比值最大为5.69;框架梁的损伤比框架柱严重,已进入"极限承载力"状态,仅有少量框架柱进入塑性变形阶段,结构满足"强柱弱梁"的设防要求;关键梁、柱构件损坏程度为79%和68%,仍有较大的富余度。结构薄弱区集中在顶层商业层区域,由于屋面和框架柱的连接效应,柱顶率先出现塑性铰,致使顶层位移角增大。     

联合极限状态下基于最大熵可靠度的易损性分析

考虑工程需求参数(EDP)的前四阶矩,提出基于最大熵可靠度理论的地震易损性分析方法.基于SAP2000建立钢筋混凝土框剪模型,选择最大层间位移角和最大层加速度衡量结构的联合性能极限状态,建立极限状态方程.不对EDP的分布进行人为假定,在不同峰值加速度(PGA)下计算两种EDP的前四阶矩,并作为约束条件,建立极限状态方程...     

修正的RC剪力墙构件Park-Ang损伤模型

基于Park-Ang 损伤模型，提出了用于钢筋混凝土剪力墙构件的修正损伤模型．通过对已有钢筋混凝土剪力墙试验结果的统计分析，总结了其累积耗能组合系数的影响因素，并拟合出该系数与试件参数：剪跨比、轴压比、配筋率的关系式．修正的损伤模型需满足加载至破坏时损伤指标为1.0 的上界条件，结果表明，根据本文修正的损伤模型计算的钢筋混凝土剪力墙试件损伤指标在统计意义上满足该条件．最后，根据构件性能水准的相关研究，本文将钢筋混凝土剪力墙构件的性能水准划分为：基本运行，生命安全和接近倒塌，分别对应了构件骨架曲线相应关键点：屈服点、峰值点和极限破坏点，根据本文修正损伤模型计算的各水准损伤指标临界值分别为：0.02、0.45 和1.00．     

准脆性材料抗压强度能量平衡尺寸效应模型

针对现有尺寸效应模型难以体现准脆性材料完整的抗压强度尺寸效应变化规律及其内在机理, 本文通过分析准脆性材料单轴压缩破坏过程中能量输入、储存、整体和局部能量耗散, 建立体现整体和局部损伤的力学模型及描述上述能量演化过程的双线性名义和真实应力应变曲线, 在此基础上确定了名义应力最大时输入能量、储存弹性能、整体和局部能量耗散的表达式, 最后基于能量平衡原理建立抗压强度尺寸效应模型. 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能完整体现名义抗压强度尺寸效应, 即随试样尺寸增大, 名义抗压强度在试样尺寸小于等于局部损伤区尺寸时为真实强度, 然后逐渐减小, 最终当试样尺寸趋于无穷大时趋于弹性极限强度; 抗压强度能量平衡尺寸效应模型也能同时体现高径比和试样直径对名义强度的影响, 其包含的参数具有明确的物理意义, 可以反映真实强度、弹性极限强度、名义损伤模量非线性、局部损伤区大小和方向对准脆性材料名义抗压强度尺寸效应的影响; 通过把抗压强度能量平衡尺寸效应模型和现有尺寸效应模型应用于预测各种材料尺寸效应试验和数值模拟数据, 结果表明: 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能很好描述试验和数值模拟尺寸效应的非线性变化规律及内在机理, 和现有尺寸效应模型相比, 其总体平均误差最小, 且小于5%.      

考虑竖向地震作用效应的地下典型空间结构易损性性能指标探讨

为探究考虑竖向地震作用效应的地下空间结构易损性性能指标,本文基于地下结构抗震分析与设计的Pushover分析方法,以六个典型地下空间结构为背景,利用ABAQUS软件建立带有附加自由场的土-地下空间结构相互作用分析模型进行Pushover分析,研究了不同类型场地及地下空间结构埋深对地下空间结构中的柱构件能力曲线的影响;采用弯矩-转角四折线模型来量化指标限值,将Pushover分析所得结果经数学统计分析,以保证率为98%的屈服转角、峰值荷载转角以及极限转角限值作为特征点,得到了适用于水平地震作用下的性能指标限值.然后,基于冲量原理分析了不同竖向地震动加速度对柱构件动力响应的影响,由拟合所得的屈服转角、峰值荷载转角以及极限转角与轴压比的关系,求得了考虑竖向地震作用效应的特征点限值折减系数,给出了考虑竖向地震作用效应的地下空间结构易损性性能指标限值.研究结果表明:地下空间结构埋深对其柱构件的能力曲线影响较大;与仅考虑水平向地震作用的结果相比较,本文算例中考虑竖向地震作用效应的特征点的平均折减系数可分别取屈服转角为0.89、峰值荷载转角为0.85、极限转角为0.80.     

基于返回映射的铝合金激光焊缝的弹塑性参数反演

激光焊接局部高温会退化航空铝合金的力学性能,降低航空铝合金加筋壁板结构的承载能力。基于铝合金激光焊接件焊缝附近在单轴拉伸载荷下的全场位移数据,本文提出一种用于等向强化弹塑性应力增量更新的单变量返回映射方法,并将这种应力更新策略应用于非线性虚拟场方法中,结合应变场数据反演了距离焊缝不同位置子区处的弹塑性参数,建立了各个子区材料在弹塑性阶段的应力-应变关系。经反演实验结果显示,激光焊接接头局部区域的力学性质明显弱化,热影响区的塑性应变累积较快,是激光焊缝弹塑性力学性能退化最严重的区域。     

基于介观力学信息的颗粒材料损伤-愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤-愈合与塑性的多尺度表征方法.颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元.建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系.表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示.基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系.在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤-愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变.此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应.应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤-愈合-塑性表征方法的有效性.     

含孔复合材料层合板静拉伸损伤演化的实验和表征方法

为了深入探究复合材料层合板结构的损伤机理和损伤演化,应用声发射技术和图像相关技术同步实时监测含孔碳纤维复合材料层合板试样在静拉伸过程中的损伤演化。实验结果表明,试样表面应变场呈现局部化特征。对应变集中带在加载方向的应变值进行了统计分析,获得了应变场的特征统计量(标准差)随加载的演化模型。层合板损伤时产生声发射信号的峰值频率大小能够有效区分复合材料的损伤模式,由此,建立了基于损伤模式累积声发射数的损伤演化模型。通过对应变场演化模型和声发射损伤演化模型的分析,可以将复合材料的损伤演化分为损伤初始阶段、损伤平稳扩展期、损伤严重阶段三个部分。统计分析结果表明:在损伤严重阶段,基于声发射事件数的各种损伤的损伤变量和局部应变场标准差快速增长,因此局部应变场统计标准差可以作为后期局部损伤严重程度的识别指标。     

基于介观力学信息的颗粒材料损伤——愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.