结构钢材循环荷载下的本构模型研究

在抗震分析中,钢材在循环荷载下的一维本构模型是结构抗震设计时进行结构弹塑性地震响应分析的基础.为了更为准确地模拟结构的地震反应,并能够在实际工程中应用,该文提出了结构钢材Q235B、Q345B 在循环荷载下的单轴简化本构模型,其中包括:单调加载曲线、循环骨架曲线以及滞回准则,通过建立数学模型对钢材循环荷载作用下的反应进行描述.根据提出的模型并基于大型通用有限元软件ABAQUS 提供的用户子程序接口UMAT,开发了适用于结构分析的钢材单轴循环本构模型.通过与多种加载制度下钢材反应的试验数据进行对比,进而证明该文所提出模型的正确性以及适用性,保证其用于钢结构体系在地震作用下弹塑性时程分析时的精度和可行性.分析结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的反应有很大的差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;钢材在循环荷载下的滞回准则也与现通用有限元软件中的本构模型有较大区别,这对于抗震计算设计的准确性有一定的影响.     

循环荷载下奥氏体型和双相型不锈钢材料本构关系研究

为研究循环荷载下不锈钢材料的本构关系,对奥氏体型S30408不锈钢和双相型S220503不锈钢材料进行了单调拉伸和大应变超低周循环加载试验。采用三种常用的单调拉伸本构模型对所得应力-应变曲线进行拟合,得到相应单调荷载下材料本构参数;采用Ramberg-Osgood本构模型对循环骨架曲线进行拟合,得到材料循环强化参数;利用Chaboche塑性本构模型,标定了两种材料的循环本构参数。结果表明:在单调拉伸荷载下,G-R-O本构模型更适用于拟合不锈钢材料的单调拉伸本构;在循环荷载下,不锈钢材料滞回曲线饱满,且随着应变增大,两种材料在加载后期均表现出了明显的循环强化现象;Ramberg-Osgood本构模型对骨架曲线拟合较好,有限元计算结果和试验滞回曲线吻合度高;表明该文标定出的强化参数、循环本构参数可用于结构体系地震响应分析之中,为准确分析不锈钢结构在地震作用下的受力性能提供参考。     

钢-混凝土组合简支梁滞回性能非线性有限元分析

为实现钢-混凝土组合简支梁滞回性能三维非线性有限元分析,该文提出混凝土在单轴拉、压应力下的损伤变量计算方法,给定了混凝土的卸载规则,完善并提出混凝土应力-应变滞回本构关系和钢材循环本构关系,应用ABAQUS有限元软件建立混凝土棱柱体试件、钢材试件和钢-混凝土组合简支梁有限元三维非线性有限元模型,对混凝土棱柱体试件在单轴受压和受拉反复荷载下的试验结果进行分析,对钢材试件在单轴拉压循环荷载下的试验结果进行分析,对钢-混凝土组合简支梁在循环荷载下的荷载-挠度滞回关系、梁端荷载-滑移滞回关系以及栓钉的荷载-侧向变形滞回关系曲线等试验结果进行分析,计算结果与试验结果符合较好。     

往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟

准确预测地震荷载下钢筋混凝土柱的受力性能,对评估震后混凝土框架结构及桥梁结构的安全性和震害损失具有重要意义。由于复杂的材料性能和受力行为,地震作用下钢筋混凝土柱受力性能的准确计算目前仍需主要借助数值模拟,并且对数值模型中混凝土和钢筋材料的滞回本构关系提出了更高的精度要求。该文基于纤维分析模型,采用更加完善的反复荷载下钢筋和混凝土的本构,编制了可精确分析钢筋混凝土杆系结构及构件在往复荷载下受力性能的计算程序,并对不同轴压比和不同配筋率的2根压弯柱试件进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

往复何荷载下钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟

准确预测地震荷载下钢筋混凝土柱的受力性能,对评估震后混凝土框架结构及桥梁结构的安全性和震害损失具有重要意义.由于复杂的材料性能和受力行为,地震作用下钢筋混凝土柱受力性能的准确计算目前仍需主要借助数值模拟,并且对数值模型中混凝土和钢筋材料的滞回本构关系提出了更高的精度要求.该文基于纤维分析模型,采用更加完善的反复荷载下钢筋和混凝土的本构,编制了可精确分析钢筋混凝土杆系结构及构件在往复荷载下受力性能的计算程序,并对不同轴压比和不同配筋率的2根压弯柱试件进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好.     

型钢高强混凝土框架的循环退化效应

进行了两跨三层型钢高强混凝土框架结构的单调加载和循环加载对比试验,观测了型钢高强混凝土框架结构各阶段性能随荷载循环次数的退化现象,获取了结构的荷载-位移滞回曲线。通过对比各荷载循环所对应的滞回环,分析了结构性能退化的规律,根据试验结果提出了描述结构强度和刚度退化的退化指数模型。通过对滞回曲线、功比系数、耗能比和粘滞阻尼系数的试验值与计算值进行对比,验证了模型的适用性与准确性。结果表明,该文所提出的循环退化模型可准确描述型钢混凝土框架在反复荷载作用下的材料非线性。该研究为型钢高性能混凝土框架结构的地震反应全过程分析奠定了基础。     

钢筋混凝土轴压构件材料阻尼计算及应用公式

提出一种计算钢筋混凝土轴压构件材料阻尼的新方法，基于Lazan材料阻尼与应力关系的理论研究，利用Open SEES系统，采用Giuffre-Menegotto-Pinto钢材本构关系模型、Kent-Scott-Park混凝土本构模型及Karsan-Jirsa加卸载准则，计算钢筋混凝土构件在轴向重复荷载下的滞回曲线包围面积，从而得到钢筋混凝土材料单位体积损耗能量。结果表明，单位体积损耗能量随最大应力幅值的提高而增大，且随混凝土强度和配筋率增大而减小。通过SPSS统计分析软件回归建立了钢筋混凝土构件在轴向重复荷载下材料单位体积耗能与最大应力幅值的关系式，回归结果与计算结果吻合较好，为进一步了解钢筋混凝土材料性能及进行钢筋混凝土结构动力响应计算打下基础。     

箍筋约束混凝土单轴滞回本构实用模型

该文深入研究了箍筋约束混凝土单轴滞回本构模型,并利用ABAQUS-2次开发功能对6种典型的模型进行计算分析。通过各模型计算结果与试验结果的比较以及各模型之间的比较,从受压骨架曲线,受压滞回曲线,受拉滞回曲线3个方面,研究了各模型的准确性和计算效率。在对比分析的基础上,建立了一个与实验符合较好、且考虑复杂加载路径的混凝土...     

循环荷载下钢材本构模型的应用研究

为进一步验证循环荷载下钢材本构模型的适用性及广泛性,分别从材料及构件层次选取了国内外典型的循环试验结果对模型进行充分验证,包括钢材循环低周疲劳试验、钢构件循环加载试验、钢节点以及组合节点循环加载试验。并通过对比分析循环荷载下钢材本构模型与常用的两折线模型在构件及体系层次应用效果,充分说明了循环特性显著影响抗震性能,在今后的设计计算中需要引起重视。在此基础上,将钢材循环本构模型应用于一个十层钢框架结构抗震性能分析之中,验证了其用于钢结构体系在地震作用下弹塑性时程分析时的可行性,为钢结构的抗震分析提供了有力的工具。     

基于扩展有限元进行钢筋混凝土柱捏拢效应的机理分析

预测地震荷载下钢筋混凝土柱的力学性能,对评估震后混凝土结构的安全性和震害损失具有重要意义。由于混凝土材料在受力过程中的复杂性,目前对钢筋混凝土结构力学性能的模拟主要依靠数值方法。已有的数值模拟方法大都基于有限元法,将混凝土视为连续体,通过人为定义参数来指定混凝土的滞回本构,因此存在一定的主观性与局限性。该文结合扩展有限元法与断裂准则,直接模拟混凝土裂缝的开展与闭合,并考虑钢筋和混凝土的粘结滑移作用,通过数值计算,直接再现了钢筋混凝土结构在低周反复荷载下的力学行为。模拟方法得到了试验的验证,与结果吻合较好。该文进一步分析了钢筋混凝土柱的滞回行为中混凝土、钢筋的各自作用和相互抵消行为,从细观的角度,在机理上揭示了捏拢效应出现的三个主要原因。     

复杂循环路径下钢材弹塑性屈曲行为研究

复杂强震荷载作用下钢管混凝土柱中的钢管受压屈服后易发生局部屈曲,在杆系有限元模型中采用不考虑屈曲影响的钢材本构模型无法准确模拟钢结构构件的地震响应。为研究复杂循环荷载作用下钢材的屈曲行为,该文设计了强度等级分别为Q235和LYP160的30个钢材试件,并设计了多种复杂循环加载路径进行加载,获得了不同复杂循环荷载作用下钢材的弹塑性屈曲行为和应力-应变滞回关系。基于已有文献中的3种钢材循环本构模型:Légeron模型、GA模型和DM模型对试验结果进行对比分析和评价,结果表明:Légeron模型无法模拟钢材受压区服后的屈曲效应,GA模型中受压屈曲时的应力-应变规律与试验结果较为吻合,DM模型中受拉和受压卸载刚度与试验结果较为吻合。     

Fatigue crack initiation and crystallographic growth in 316L stainless steel

A mesoscale model of fatigue crack formation and stress–strain behavior in crystalline alloys entitled Sistaninia–Niffenegger Fatigue (SNF) model is applied to AISI 316L austenitic stainless steel. An inelastic hysteresis energy criterion in conjunction with continuum damage modeling provides a strong tool for studying the behavior of the austenitic steel under cyclic loading. The model predictions are validated against fatigue experimental data. The results show that this microstructural-based modeling approach is capable for predicting the behavior of the steel even under complex loading conditions. It can reproduce and help to understand well known fatigue experimental facts, e.g. the effect of grain size and initial defects, by considering the anisotropic behavior of crystalline materials at the level of the microstructure.     

轴向往复荷载作用下圆钢管混凝土柱恢复力模型研究

为研究钢管混凝土柱的轴向恢复力模型,设计制作了8个钢管混凝土柱试件并对其进行轴向往复加载,分析其受力机理和恢复力特性。基于试验结果,选用退化三线型模型,建立了钢管混凝土柱无量纲骨架曲线模型,并提出其轴拉与轴压方向的峰值承载力和位移的计算方法。鉴于钢管混凝土试件在轴拉与轴压方向受力机理的差异,对滞回曲线的正负向选用不同的滞回规则,建立了相应的卸载刚度函数。据此提出了钢管混凝土柱的轴向恢复力模型,并与试验滞回曲线进行对比,验证了恢复力模型的合理性,所建立的恢复力模型可为斜交网格结构体系的弹塑性分析提供依据。     

国产低屈服点钢材循环加载试验研究

为研究不同荷载作用下国产低屈服点钢的材料力学行为,对LY100、LY160及LY225钢材共46个试件进行了单调拉伸试验及12种不同加载制度的循环加载试验。对国产低屈服点钢的单调性能、滞回性能、破坏形式、延性特征等进行了分析,并与其他结构钢材的力学性能进行了对比。结果表明,低屈服点钢在循环荷载作用下有明显循环强化现象,塑性变形能力强,且与普通钢材相比延性及耗能能力突出。该试验结果为后续研究低屈服点钢本构模型提供基础。     

Fatigue crack initiation and crystallographic crack growth in an austenitic stainless steel

The lifetime of a specimen under cyclic loading is usually limited by the initiation and growth of microcracks. Experimental results for the austenitic stainless steel X6 CrNiNb 18-10 are given and a model for crack initiation and crack growth in the first grains of a polycrystalline aggregate is proposed.     

型钢混凝土异形柱框架滞回性能分析

为研究型钢混凝土(SRC)异形柱框架的滞回性能,对3榀框架模型进行低周反复加载试验,结果表明:SRC异形柱框架的滞回曲线饱满对称,耗能能力较强;实腹式配钢框架的抗震性能比空腹式更为优越。基于OpenSees系统对SRC异形柱框架的滞回性能进行有限元分析,计算结果与试验结果符合较好。根据试验及有限元模拟结果,得到SRC异形柱框架的骨架曲线模型和卸载刚度退化规律,进而建立其恢复力模型,为该新型结构体系的弹塑性分析提供参考。     

双相型不锈钢S22053循环本构关系研究

为研究国产双相型不锈钢S22053在循环荷载下材料的力学性能和本构关系,该文采用S22053热轧钢板加工成母材试件,进行单调和循环加载试验,得到14种加载制度下的应力-应变曲线。基于单调加载试验曲线,分析了单调荷载下的材料性能;利用等应变幅加载试验曲线拟合了Chaboche混合强化参数,并用有限元软件ABAQUS对试验进行模拟计算,对比、验证了拟合效果。结果表明:双相型不锈钢S22053延性较好,没有明显的屈服平台和屈服点,比例极限较低;循环骨架曲线可以采用Ramberg-Osgood模型进行拟合;采用不同分量模型标定的3组混合强化参数均能较好的模拟材料的循环受力特征,其中三背应力分量模型(N2L1)拟合效果最好。研究结果可用于分析计算双相型不锈钢结构在地震作用下的受力性能。