一种混凝土疲劳损伤模型及其有限元实现

混凝土结构在疲劳荷载作用下材料行为会发生变化,损伤的累计对结构产生不利的影响,本文提出了一种简单合适的疲劳损伤模型,并应用ABAQUS有限元软件编写UMAT用户子程序将模型数值化实现,该模型能考虑拉压行为的差异、复杂应力状态和低应力水平疲劳荷载作用下的损伤累计。本文合理调整模型中的材料参数,得出:在单轴拉伸和压缩荷载作用下,该模型的应力应变关系曲线与混凝土规范规定的曲线基本一致;在简单疲劳荷载作用下,损伤随疲劳荷载作用次数的增加有明显的两个阶段,刚开始缓慢增长,损伤累计到一定程度时快速增长;随着应力水平的降低,混凝土材料的疲劳寿命明显增长。本文提出的疲劳损伤模型,结合数值模拟方法,对于研究混凝土结构在疲劳荷载作用下,损伤累计和应力重分布特点以及损伤累计对结构的整体受力性能的影响等具有一定的意义。     

混凝土疲劳特性与疲劳损伤后等效单轴本构关系

探讨了混凝土材料的疲劳损伤特性与损伤混凝土本构行为模拟的简化手段．以系统的普通混凝土单轴、双轴与三轴疲劳试验结果为基础，在我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）给出的单轴混凝土本构关系中引入损伤变量，建立了混凝土的等效单轴疲劳损伤本构关系．对试验结果的模拟分析表明，所建立的模型能有效模拟混凝土在高周疲劳过程中的强度和刚度衰减规律，为疲劳荷载作用下钢筋混凝土结构的承载力计算与剩余寿命评估提供了便利的手段．     

混凝土结构疲劳全过程分析方法研究

为研究混凝土结构疲劳破坏的全过程，提出一种基于损伤力学的疲劳分析方法。该方法通过引入疲劳损伤本构模型以描述混凝土材料在疲劳荷载作用下的劣化过程。为提高计算效率，将本构模型与非线性有限元方法相结合，发展了一种循环跳跃式疲劳加速算法。基于该算法，结构的疲劳破坏过程可仅通过少量疲劳加载循环的计算加以推测。为保证算法精度，进一步提出基于损伤演化速率的自适应精度控制策略，使分析可根据疲劳损伤演化速率的变化自动调整加速算法的时间跳跃步长。采用该分析方法对混凝土材料与钢筋混凝土梁的疲劳破坏过程进行模拟，并与相关疲劳试验数据进行对比。结果表明：该分析方法可准确预测混凝土结构在疲劳荷载作用下的非线性行为，特别是疲劳加载过程中裂缝的产生和扩展过程；结合疲劳损伤本构模型和疲劳加速算法能够高效及准确地模拟混凝土结构的疲劳破坏全过程。     

再生混凝土单轴受压疲劳性能

完成再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土单轴受压疲劳试验,着重考察在疲劳荷载作用下的应变响应和疲劳损伤累积。基于文献中普通混凝土受压疲劳性能研究成果,对比分析再生混凝土与普通混凝土的疲劳性能差异,发现再生粗骨料附着老砂浆、再生混凝土中多界面等特点没有引起两种混凝土疲劳性能的显著区别。进一步研究残余应变和疲劳应变的变化情况,并对再生混凝土的疲劳模量与裂纹的扩展进行分析,建立疲劳失效过程与应变响应行为之间的关系,揭示再生混凝土的疲劳损伤演化过程。基于试验结果和连续损伤力学,提出一个再生混凝土损伤模型,可用来对再生混凝土疲劳性能进行理论和数值分析。     

基于疲劳内聚力模型的瓷砖-砂浆界面温度疲劳特性分析

建立了疲劳损伤演化与内聚力耦合模型，模拟了不同温度循环作用下瓷砖-砂浆的界面损伤行为，并分析了温度变化幅值、作用次数和砂浆厚度对损伤的影响规律. 结果表明：疲劳内聚力模型可较好地模拟温度循环作用下瓷砖-砂浆的界面损伤行为；瓷砖-砂浆的界面损伤主要源于二者在界面处的剪切变形，且降温的影响远大于升温；随着温度作用次数的增加，界面损伤从瓷砖边缘处萌生并逐渐向中心扩展，但损伤增长速率逐渐降低；温度变化幅值增加和砂浆厚度突变均会加剧界面损伤及其发展速率，且砂浆厚度突变导致的界面损伤主要集中在较厚侧.     

断续节理岩体动态疲劳损伤研究

分析了断续节理岩体动态疲劳损伤的复杂性,阐明了疲劳损伤研究的近似处理方法。基于剩余应变强度理论和线性退化准则讨论了断续节理岩体动态疲劳损伤累积过程。研究了岩体破裂概率与疲劳损伤的等效性,建立了疲劳损伤变量与分形维数间的定量关系。最后通过动态疲劳实验验证了结论的正确性。     

应力增量型的高周疲劳损伤累积准则

本文提出了一种用以描述材料在应力状态改变过程中的疲劳损伤演化规律的高周疲劳损伤累积准则.作为一种更一般性的高周疲劳损伤累积准则,这种应力增量型的损伤累积准则只需通过等幅疲劳实验所确定的高周疲劳系数即可对一般载荷谱进行疲劳损伤累积计算,避免了对疲劳应力循环进行计数.     

混凝土双轴抗压疲劳累积损伤规律试验研究

本文在对混凝土立方体试件进行定侧压下双轴等幅与变幅抗压疲劳试验的基础上,研究了素混凝土双轴抗压疲劳累积损伤性能。通过对试验结果的分析,证明Miner准则不适于描述疲劳损伤的累积规律;CortenDolan损伤公式可以用于混凝土剩余疲劳寿命的预测。分别选择疲劳最大应变、疲劳残余应变、疲劳变形模量和横向超声波速定义了损伤,得到了不同的损伤累积规律;在综合了纵向变形、模量及横向微裂缝的发展程度的基础上提出了混凝土平均损伤变量,得到了损伤演化方程。本文还应用二级变幅疲劳试验结果修正了常用的损伤等效原理,大大提高了混凝土剩余疲劳寿命预测的精度。本文的研究为混凝土在定侧压下双轴抗压疲劳寿命的预测和损伤评价奠定了基础。     

碳纤维布加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳损伤机理及损伤累积性能研究

以碳纤维布(CFRP)加固损伤钢筋混凝土吊车梁的抗弯疲劳试验研究为基础,分析了加固吊车梁中钢筋疲劳破坏产生的原因,揭示了CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳破坏机理。建立了碳纤维布加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳累积损伤模型,并根据所建立的吊车梁的疲劳累积损伤模型,对本文试件进行了疲劳损伤程度分析。研究表明,采用CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的剩余抗弯刚度来度量其疲劳损伤变量,具有明确的物理意义。在此基础上,建立的疲劳损伤演化方程能够准确模拟CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳损伤破坏过程。     

有机纤维与聚合物对水泥混凝土疲劳损伤 性能的影响

有机纤维与聚合物对于改善水泥混凝土的疲劳损伤性能具有重要作用,为探明有机纤维与聚合物对水泥混凝土疲劳损伤性能的影响,结合国内外研究学者的相关研究成果,分析优选了用于有机纤维或聚合物改性水泥混凝土的疲劳损伤变量,系统阐述了其疲劳损伤演化过程,分析了有机纤维与聚合物对水泥混凝土疲劳损伤过程的影响规律,最后,以相关试验研究的疲劳模型为基础,分析探讨了适用于有机纤维与聚合物复合改性水泥混凝土的疲劳损伤模型,以期为其合理化设计与工程应用提供相关依据。     

金属板材中裂纹尖端区的损伤分析

从连续介质损伤力学的基本理论出发 ,研究了金属试件中裂纹尖端损伤区的发展和区内损伤的演变 .基于改进的Dugdale模型和已有的材料损伤率 ,计算了损伤区内的损伤分布和拉伸应力 ,讨论了损伤在整体材料破坏过程的作用 .结果表明 ,材料细观对宏观裂纹的起裂和扩展有很大的影响     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

锦屏二级水电站深埋引水隧洞处于西南高应力区,地质条件复杂,岩爆、突水、塌方等工程地质灾害突出,掌握TBM开挖围岩损伤演化规律,设计有效的支护方案防治TBM施工过程地质灾害的发生是非常重要的。为此,开展TBM施工过程中声发射监测试验,研究TBM开挖过程中围岩损伤的演化规律。试验结果表明:沿洞轴线方向,TBM开挖时掌子面前约10m的范围内围岩已受到不同程度的损伤,TBM开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m的范围内,其中以掌子面后3m时为最;沿洞径方向,围岩受损伤的范围约9m,根据损伤程度的不同,划分为松动区、损伤区和扰动区,依次为距洞壁3,3～9和9～22m的范围。从力学的角度揭示损伤演化的机制和松动区、损伤区和扰动区划分的依据,为支护措施设计与支护时机的选取提供科学依据。分析讨论传感器选取、传感器布置、现场噪音及地质条件等各种因素对围岩损伤结果的影响及进一步发展和研究的方向。     

层状岩体损伤演化与应变关系的研究

运用电子显微镜研究了岩石的微观结构，提出岩石微结构损伤模型：对层状岩体进行损伤演化与破坏过程的研究，建立本构方程与损伤演化方程；引入损伤变量及损伤扩展系数，建立符合岩体整个损伤演化过程的方程，描述岩石受载过程中初期近似呈线性，随后加速的过程。将岩体损伤与破坏过程分为3个阶段，分析层状岩体的损伤演化与破坏特征及其稳定性，解释岩石损伤演化的规律。研究结果表明：层状岩体的损伤萌生与扩展直到破坏，除与加载大小、速率等有关外，还与各亚层损伤演化规律、载荷与层面夹角、各亚层的内部微结构特性等有关。因此，现场整体岩层受其影响是显著的。     

坝肩高边坡层间错动带剪切蠕变特性与模型研究

高坝工程坝肩边坡岩体深部层间错动带的蠕变力学特性与蠕变损伤特性,直接影响着水电工程的长期稳定性与整体安全性。以某坝肩高边坡岩体层间错动带的剪切蠕变力学试验为基础,研究了层间错动带的剪切蠕变力学特性,分析了层间错动带的长期剪切强度参数和加速蠕变特性及蠕变速率变化特征;通过对层间错动带加速蠕变过程中损伤演化特性的分析,研究了考虑层间错动带岩体力学参数弱化和伴随加速蠕变变化的蠕变损伤效应,并基于西原流变模型和蠕变损伤演化方程,建立了能够反映高边坡层间错动带蠕变损伤演化过程的本构模型;而后通过对比数据拟合结果与试验结果,对提出的本构模型进行验证,显示所建立本构模型的正确性与合理性。     

砂岩拉伸过程中的能量耗散与损伤演化分析

岩石作为一种非均质的复杂地质材料,其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。借助先进的试验测试系统,可以对岩石进行直接拉伸试验,从而在现有大量压缩试验的基础上进一步完善对岩石基本力学行为的研究。通过砂岩的循环拉伸试验研究发现,拉伸过程中外载所做的总功除了引起岩石弹性变形能的增大外,还有一部分被耗散掉从而导致岩石发生不可逆的损伤。在对能量耗散进行分析的基础上,可以建立岩石的损伤演化方程,并通过试验测定相应的参数指标。试验研究和理论分析表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。     

岩石损伤统计本构模型的研究

基于概率论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏，损伤和弹塑性变形等特征进行了探讨，建立了弹塑性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力，并能反映岩石剩余强度，与试验结果的比较显示了该模型的合理性。     

基于损伤理论的预应力锚索荷载-变形特性分析

根据损伤理论的基本原理，分别定义了岩休剪切损伤变量和受拉浆体材料的损伤变量，确定了各自相应的损伤演化方程；推导了基于浆体材料损伤的锚索锚固段荷载传递控制微分方程：并将岩体剪切损伤理论与常规剪切位移法相结合，研究了拉力型预应力锚索锚固段的荷载．位移特性、侧阻力分布特性以及轴力分布特性等。将一工程实例的计算结果与实测结果进行了比较，结果表明，该方法是可行的，特别适合描述预应力锚索处于较高应力水平时的工作特性。     

混凝土的分形性及其单轴应力下裂纹演化的混沌效应

基于分形几何、损伤力学和混沌理论研究混凝土的复杂结构和功能及其在单轴应力作用下其内部微裂纹动态演化规律和破坏特征。首先从唯象和分形角度描述混凝土裂纹的产生和扩展过程,然后,推导了混凝土损伤演化方程,划规为统一形式并检验其混沌特征,进而分析了混凝土裂纹演化的混沌效应;同时,利用混沌理论解释了单轴受压混凝土构件的破坏特征。通过研究混凝土裂纹演化的混沌效应,为混凝土破坏机理研究提供新的手段,也为混凝土结构设计和维护提供理论依据。