Experiments on mechanical properties of salt rocks under cyclic loading

The primary purpose of underground gas storages is to provide gas for seasonal consumptions or strategic reserve.The periodical operations of gas injection and extraction lead to cyclic loading on the walls and surrounding rocks of gas storages.To investigate the mechanical behaviors of different host rocks in bedded salt deposit,laboratory experiments were conducted on the samples of rock salt,thenardite,glauberite and gypsum.The mechanical properties of rock samples under monotonic and cyclic loadings were studied.Testing results show that,under monotonic loading,the uniaxial compressive stress(UCS) of glauberite is the largest(17.3 MPa),while that of rock salt is the smallest(14.0 MPa).The UCSs of thenardite and gypsum are 16.3 and 14.6 MPa,respectively.The maximum strain at the peak strength of rock salt(halite) is much greater than those of the other three rocks.The elastic moduli of halite,thenardite,glauberite and gypsum are 3.0,4.2,5.1 and 6.8 GPa,respectively.Under cyclic loading,the peak strengths of the rock specimens are deteriorated except for rock salt.The peak strengths of thenardite,glauberite and gypsum decrease by 33.7%,19.1% and 35.5%,respectively;and the strains of the three rocks at the peak strengths are almost the same.However,the strain of rock salt at the peak strength increases by 1.98%,twice more than that under monotonic loading.Under monotonic loading,deformation of the tested rock salt,thenardite and glauberite shows in an elastoplastic style.However,it changes to a ductile style under cyclic loading.Brittle deformation and failure are only observed for gypsum.The results should be helpful for engineering design and operation of gas storage in bedded salt deposit.     

结构消(耗)能元件芯材SN490B本构关系数值模拟

采用消(耗)能元件的结构在遭受地震作用时,元件芯材首先屈服进入塑性阶段,利用其滞回变形消耗地震输入能量,保护主体结构,元件芯材本构关系的数值模拟是对采用消(耗)能元件结构进行抗震分析与设计的基础。为更真实地模拟结构消(耗)能元件芯材在单调和循环荷载下的本构响应,更准确地对采用消(耗)能元件结构进行结构弹塑性地震响应分析,对常用作消(耗)能元件芯材的日本高延性钢材SN490B的单调、循环加载本构及循环骨架曲线进行了数值模拟,包括:采用Esmaeily-Xiao二次流塑性模型模拟材料在单调荷载作用下弹性段、屈服段、强化段和二次流塑段4个阶段;采用混合强化模型模拟材料循环荷载作用下的本构响应,运用大型通用有限元软件ABAQUS结合数值模拟参数对16种不同循环加载制度下的循环加载试验进行模拟,并与试验结果进行对比;采用Ramberg-Osgood模型、无量纲化的Ramberg-Osgood模型及两段式模型模拟循环骨架曲线。研究结果表明:所采用数学模型可以较好地模拟SN490B钢材单调、循环加载本构响应及循环骨架曲线,数值模拟与试验结果拟合较好。     

不同复合比下不锈钢复合钢材循环本构模型研究#br#

为研究不同复合比下不锈钢复合钢材在地震循环往复荷载作用下的力学特性,开展23个3+3mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材试件的单调拉、压和15种不同循环加载制度下的试验。根据试验结果,分析该类复合钢材的单调性能、滞回性能以及宏观和微观破坏形态;基于Ramberg-Osgood三参数模型拟合循环骨架曲线,并讨论其与单调荷载下的力学性能区别;基于Chaboche模型标定该不锈钢复合钢材的本构模型参数,并采用数值模型对其他循环加载制度下的力学响应进行模拟;最后与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环骨架曲线、循环本构关系及滞回曲线方面进行对比,分析复合比的影响。试验结果与分析表明：该种复合比的不锈钢复合钢材在循环荷载下仍表现出明显的循环强化作用和混合强化（等向强化和随动强化）特征;滞回曲线饱满;随着循环周次的增加,卸载刚度和再加载曲线的初始刚度出现明显退化;Ramberg-Osgood模型可以较好地对其循环骨架曲线进行拟合;文章提出的循环本构模型能够准确模拟该复合比不锈钢复合钢材循环往复荷载作用下的力学响应;该复合钢材与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环荷载下的具体力学指标存在明显区别。研究成果为提出双金属复合钢材的统一循环本构模型提供重要基础。     

AQ315钢材单调与循环加载试验研究

对新型抗震结构用钢AQ315进行单调拉伸和循环加载试验研究,分析其各项力学性能及相应破坏形态,并利用Ramberg-Osgood模型对循环荷载下的骨架曲线进行拟合。根据试验数据标定基于Chaboche模型的混合强化参数,通过有限元软件ABAQUS对循环加载试验进行数值模拟。结果表明：AQ315钢材屈服强度平均值为290MPa,抗拉强度平均值为450MPa,断后伸长率平均值高达35.6%;循环荷载作用下,AQ315钢材表现出明显的循环强化特征;Ramberg-Osgood模型能较准确地拟合出AQ315钢材在循环荷载下的骨架曲线;利用标定的强化参数模拟出的结果和试验曲线吻合程度较好。     

循环荷载下黄土特性模拟

在不排水的条件下，黄土在单调荷载下会出现软化，在循环荷载下会出现液化（或循环移动）。对此给出了试验结果，并尝试用边界面及广义塑性模型来预测黄土的软化及液化现象。结果表明：循环荷载下塑性应变累积速度要比单调荷载下软化阶段塑性应变累积速度慢，广义塑性模型可较好地预测黄土软化、液化现象。讨论并分析了模型参数对预测结果的影响。     

Strength degradation of sandstone and granodiorite under uniaxial cyclic loading

Change in mechanical properties of rocks under static loading has been widely studied and documented. However, the response of rocks to cyclic loads is still a much-debated topic. Fatigue is the phenomenon when rocks under cyclic loading fail at much lower strength as compared to those subjected to the monotonic loading conditions. A few selected cored granodiorite and sandstone specimens have been subjected to uniaxial cyclic compression tests to obtain the unconfined fatigue strength and life. This study seeks to examine the effects of cyclic loading conditions, loading amplitude and applied stress level on the fatigue life of sandstone, as a soft rock, and granodiorite, as a hard rock, under uniaxial compression test. One aim of this study is to determine which of the loading conditions has a stronger effect on rock fatigue response. The fatigue response of hard rocks and soft rocks is also compared. It is shown that the loading amplitude is the most important factor affecting the cyclic response of the tested rocks. The more the loading amplitude, the shorter the fatigue life, and the greater the strength degradation. The granodiorite specimens showed more strength degradation compared to the sandstone specimens when subjected to cyclic loading. It is shown that failure modes of specimens under cyclic loadings are different from those under static loadings. More local cracks were observed under cyclic loadings especially for granodiorite rock specimens.     

循环荷载作用下流变性软黏土的边界面模型

为了预测交通荷载作用下流变性软黏土的长期运行沉降,提出了一个能够描述循环加载条件下饱和软黏土流变特性的弹黏塑性本构模型。本模型以边界面弹塑性理论为基础,采用滞后变形理论。模型不仅能单独考虑土体的流变效应和循环加卸载效应,还能考虑交通荷载作用下软黏土在循环荷载和流变耦合作用下的变形特性。模型概念清晰,参数少。通过多组上海软黏土循环加载流变试验结果的模拟,初步验证了本模型的合理性和有效性。     

轴向循环荷载作用下有矩形缺陷钢管的应变棘轮:数值模型

轴向循环荷载作用下,钢管易产生局部屈曲、起皱及塑性应变。由于反复的开启/关闭和温度变化,海底管道处于加载和卸载循环中。在工作中,由于受腐蚀,壁厚变薄,钢管通常发生材料损伤。建立数值模型,模拟循环荷载作用下有矩形缺陷钢管的棘轮性能。钢管首先受单轴轴向压缩,小幅起皱,随后施加持续轴向循环荷载。采用非线性各向同性/随动(混合)硬化模型,模型各参数通过小型试件的滞回试验获得。钢管棘轮性能的数值结果与试验数据基本吻合。相比于动力性能,表面缺陷对有缺陷钢管的棘轮性能影响更大。基于本模型,还可研究初始应变、应力振幅、加载制度、壁厚和材料硬化属性等因素对有矩形缺陷钢管的棘轮性能和连续塑性屈曲性能的影响。     

Strain ratcheting of steel tubulars with a rectangular defect under axial cycling: A numerical modeling

Cyclic axial loads in tubular steel sections might lead to local buckling, wrinkling and accumulation of plastic strains in the tube. For example, this can be caused by repetitive start-up/shutdown and temperature changes in an offshore pipeline which generates cycles of axial compression/relaxing in the line. During their life time steel tubes may also experience material loss due to corrosion or wall thinning.The current paper reports the result of a numerical modeling of ratcheting behavior of steel tubes with a rectangular defect under cyclic axial loadings. The tubes have been initially subjected to monotonic axial compression beyond initiation of small amplitude wrinkles and subsequently to persistent axial cyclic loads. A nonlinear isotropic/kinematic (combined) hardening model has been adopted for the material, which its parameters have been obtained from cyclic tests conducted on small coupon specimens. The results of the numerical simulation have been compared with experimental data. In general, a reasonable agreement has been noticed between the experimental and the numerical results for the ratcheting behavior of the tubes. It is shown that surface imperfections have a very pronounced effect on the ratcheting response of the defected tubes, as compared to the monotonic responses. The model has also been used to study effects of some key factors such as the initial strain level, the stress amplitude, the mean stress, the loading regime, wall thinning and the material hardening properties on the ratcheting response and on the progressive plastic buckling of steel tubes with a rectangular defect.     

复合加载模式下海上风机圆形浅基础亚塑性宏单元模型

海上风机基础不但承受着上部结构传来的竖向荷载、风浪等引起的水平荷载与弯矩,还承受着叶片等旋转机构传来的扭矩。基于亚塑性本构理论框架,引入相应的圆形浅基础广义屈服面函数及塑性势函数,构建了一个六自由度复合加载模式下砂土地基上海上风机基础宏单元模型。为了能够合理描述循环加载条件下基础的宏观力学响应,该模型将等效粒间应变概念引入到广义力与其对应位移关系中。通过对已有模型试验结果的数值模拟,在一定程度上验证了提出的宏单元模型的合理性。     

Q345与Q460结构钢材单调和循环加载性能比较

因循环硬化、软化和包辛格效应等的影响,钢材在循环加载下的力学性能与单调加载下的力学性能会有很大差异。借助于对Q345和Q460两种强度等级钢材的单调和循环加载试验,分别从单调加载性能、循环加载现象、循环加载力学性能以及循环本构模拟等几个方面分析它们力学性能差异。分析结果表明,两种钢材单调加载下的延性都比较好,且Q460钢材的延性要优于Q345的。两种钢材循环加载时应力-应变曲线具有循环硬化、循环软化和包辛格效应等现象;循环作用使得两种钢材的硬化作用提前,Q345钢材的循环硬化现象更明显;Q460钢材循环荷载下的滞回耗能能力并不比Q345钢材差,同时循环荷载下钢材产生累积损伤。混合强化模型能较好地模拟两种钢材的循环拉压曲线,为进一步研究此类钢材结构抗震性能提供较为准确的本构模型。     

大理岩阻尼参数与动弹性参数的动三轴试验研究

 首次利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,在不同围压下对大理岩进行阻尼参数及动弹性参数的动三轴测试研究。波形为正弦波,频率3 Hz,振动循环30次,动应力上限与下限分别为相应围压下试样抗压强度的0.6倍和5.09 MPa。试验结果表明,大理岩阻尼比、阻尼系数随循环周次的增加而减小,随围压的增大而增大;动弹性模量随循环周次的增加而增大,随围压的增大而减小;各围压下动弹性模量均大于静弹性模量,动泊松比均小于静泊松比,且围压越大,二者差值越大;大理岩在30循环周次以内动荷载作用下,其力学性质会逐渐强化。     

基于热力学理论的水泥石热–力耦合本构模型和有限元分析

深层地热井中,水泥环在温度作用下的塑性和应力非线性对井下系统的封固性有重要影响。基于热力学理论,建立适用于水泥石的黏弹塑性热–力耦合本构模型。模型考虑了密度、弹性应变与温度之间的耦合关系以及弹性应变与耗散方程的耦合关系,能够模拟水泥石在等温试验中的诸多重要力学特性,以及在非等温试验中随温度升高而产生的强度和刚度衰减。在本构模型基础上开发瞬态传热的平面有限元程序,对中石油肯尼亚地热开发项目的套管–水泥环–围岩系统进行了温度和应力分析。研究发现,系统会在套管–水泥环界面和水泥环–围岩界面处产生应力集中,且界面处的温度附加应力在单调的温度荷载作用下呈现非单调性发展;能量耗散的考虑对于准确模拟水泥石的滞回特性和塑性变形发展十分重要。     

高强耐蚀钢材料力学特性试验研究

海洋钢结构的腐蚀劣化是导致结构失效的关键因素,应用耐蚀钢材可以显著提升结构服役寿命。通过对高强耐蚀钢的力学特性开展研究,进行了一系列单调和循环加载力学性能试验,分析了高强耐蚀钢在单调和循环荷载作用下的破坏形态、应力-应变关系、延伸率等性能,研究了循环加载历史、应变幅值和应变增量等参数对材料力学性能的影响。结果表明:高强耐蚀钢在单调加载下无明显屈服平台,断后伸长率在16%~19%之间;循环加载下,钢材循环应力-应变关系随加载圈数增加表现为先强化、后软化、最终逐渐趋于稳定;不同应变幅值软化因子呈近似线性变化,其值较小且加载后期幅值影响不显著;单次循环的能量耗散值随着应变幅值增大而显著增大,但其增大倍率呈近似线性下降趋势,变幅应变加载造成材料损伤程度较常幅应变加载更严重;可采用Rasmussen模型和Ramberg-Osgood模型分别描述高强耐蚀钢单调加载力学行为和循环加载力学行为。     

考虑颗粒破碎效应的粒状材料本构研究：进展及发展

颗粒破碎会引起材料的压缩性变大及强度软化，因此颗粒破碎对粒状材料力学特性影响的研究非常重要。首先从试验研究方面着手，总结了颗粒破碎的描述方法、不同加载条件下（一维及等向压缩、三轴剪切、扭剪及单剪）应力应变的颗粒破碎效应；接着总结了考虑颗粒破碎效应的粒状材料力学本构模拟方法，即一维及等向压缩模型、三维剪切模型及基于离散元法的微观土力学模型。最后，通过大量试验结果分析并结合笔者近年来的研究成果，指出可破碎颗粒材料在应力应变过程中的颗粒级配变化可由修正相对破碎指数来表示，可通过塑性功来确定，且塑性功确定法的优越性还体现在循环加载下的累积破碎评价；然后再通过修正相对破碎指数，来确定临界状态线的位置，进而可通过当前状态与临界状态线的相对位置来评价颗粒破碎对颗粒材料力学特性的影响。所提出的以修正相对破碎指数为关键变量的本构方程可直接应用于考虑颗粒破碎效应的粒状材料静动力本构模型的开发。     

横观各向同性岩石弹塑性耦合变形的试验研究

 层理状岩石的变形具有各向异性和弹塑性耦合的特点。推导出各向异性岩石弹性变形参数是塑性应变和加载角度的函数。在此基础上,设计并完成具有明显层理状结构的泥质板岩的三轴循环加卸载试验。试验结果表明：泥质板岩的视弹性模量随塑性应变的增大呈指数规律衰减,视泊松比随塑性应变的增大而增大。提出2个经验函数来分别描述视弹性模量、视泊松比与岩样轴向塑性应变、加载角度间的关系,并获得经验函数中相关参数值,据此绘制视弹性模量随加载角度和塑性应变变化的三维空间曲面图。弹性变形参数的各向异性程度随塑性应变的增大而降低。     

海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

弹塑性p–y模型及非线性地基梁的增量有限元法

在水平受荷桩基的分析与计算中,p–y曲线法是应用较为广泛的方法之一。在边界面弹塑性理论的框架内,建立了一个p–y模型。与传统的p–y曲线比较,该模型能通过不同的参数取值,模拟不同非线性特性的p–y关系,并能模拟往复荷载作用下的桩土相互作用。同时采用非线性地基梁的增量有限元法,结合提出的弹塑性p–y模型,编制了有限元分析程序,对单调和往复水平荷载作用下的桩土系统进行实例分析,结果表明该方法能有效的模拟水平荷载作用下的桩基非线性响应。     

循环荷载下花岗岩强度及变形特征试验研究

为研究循环加卸载作用下岩石的强度及变形特征,以隧道工程区域内的花岗岩为对象,采用室内岩石力学试验方法,得到了以下结论.(1)单轴循环荷载作用下花岗岩的最终破裂面明显多于单调加载,而三轴条件下,两种加载方式的破坏模式较为接近;(2)循环荷载作用下花岗岩的峰值强度显著降低;单调加载下的花岗岩表现为脆性破坏,而循环加载下花岗...     

循环荷载作用下高强铝合金本构关系试验研究

为研究高强铝合金结构在地震作用下的响应、建立循环荷载作用下高强铝合金的本构关系,对17个7A04高强铝合金试件进行了单调拉伸和多种循环加载制度下的试验。分析了材料的单调性能、滞回性能、宏观破坏形态与电镜下的微观破坏形态。采用Ramberg-Osgood模型拟合了材料的循环骨架曲线,并与单调拉伸曲线做出了对比。试验结果表明：7A04高强铝合金延性较差,破坏突然、断面与拉应力方向成45度|循环荷载下表现出典型的循环硬化现象,在压应变达到1%后,其刚度和强度发生退化|材料在滞回中表现出了混合强化的特征,既包含各项同性强化又包含了随动强化。该高强铝合金在循环荷载作用下的本构关系与单调荷载作用下的本构关系存在较大区别,不能将单调荷载下的本构关系用于循环本构关系中。本文为准确计算高强铝合金结构在地震作用下的响应提供了重要基础与依据。