爆炸冲击荷载作用下重力坝三维各向异性脆性动力损伤有限元分析

以连续损伤力学为基础，用三维动力损伤有限元模型分析混凝土重力坝及其岩石基础在爆炸冲击荷载作用下的各向异性脆性动力损伤问题。把有效应力和损伤应变能释放率的概念引入岩石类介质的脆性动力损伤演化模型，并应用于自主开发和研制的三维各向异性脆性动力损伤有限元程序（ADDFEP^3D），分析模拟在爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝及其岩石基础内的位移场、应力场、损伤场、应变能释放率和破坏失效分布场的动力响应过程，并用三维等值线图和过程演示图描述部分数值分析结果。研究结果可为重力坝抗爆性能评价的进一步深入研究提供有参考意义的方法和基础。     

框架柱在爆炸冲击荷载作用下动力系数及破坏模式研究

在爆炸冲击荷载作用下,结构底层柱的破坏可能会导致结构的连续倒塌。本文综合考虑了不同柱端约束条件和不同折合距离的影响,运用LS-DYNA分析了爆炸荷载作用下三组钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式。混凝土采用脆性损伤模型并考虑损伤及应变率效应,通过建立三维实体柱模型,得到动力系数、柱破坏模式及不同折合距离的柱中节点位移时程曲线。结果表明,相同的T/Tw,爆炸荷载作用下两端固接柱的动力系数比一端固接一端铰接柱的大,钢筋混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的侧向位移随着折合距离的增大而逐渐减小,当折合距离Z2.0时,爆炸冲击荷载对柱的影响可以忽略。     

单层鞍形网壳强动力荷载作用下的破坏模式

采用ANSYS程序,利用全过程分析方法对两种不同网格形式的单层鞍形网壳结构在强简谐、地震荷载下的动力响应规律进行研究,提取最大节点位移、应变能、进塑性杆件比例等多项响应指标,绘制其随荷载幅值增大的变化曲线,总结单层鞍形网壳的动力失效模式,剖析其失效机理,分析了地震作用下结构响应随矢跨比的变化规律.研究结果表明,两类网格的单层鞍形网壳均具有良好的抗震性能,在强动力荷载作用下发生动力强度破坏,可区分为脆性破坏和延性破坏两种失效模式.地震作用下结构破坏模式均为延性强度破坏.     

钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应分析

钢筋混凝土柱在冲击爆炸荷载作用下的破坏可能会导致结构连续性倒塌。本文对爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动力响应进行了数值模拟。在建立三维实体钢筋混凝土柱模型时,对混凝土材料采用了脆性损伤模型,分析了柱在不同折合距离时的侧向位移和失效情况,可以看出,侧向位移随着折合距离的增大而逐渐减小。当折合距离大于2.5时,爆炸冲击荷载对柱的影响很小。研究结果对钢筋混凝土柱的设计与防护具有一定的参考价值。     

高拱坝振动台地震破坏试验研究及数值仿真

 以大岗山拱坝模型的动力破坏试验为基础,从试验和数值计算角度,对整体拱坝动力特性、薄弱部位、破坏形态以及抗震性能进行研究。采用和混凝土性能相似的脆性模型材料,通过逐级加载的方式在振动台上对整体拱坝进行从弹性到破坏整个过程的模型试验,分析坝体动态特性、加速度和应变的变化规律。并采用弹脆性损伤模型对混凝土拱坝在地震作用下损伤破坏的全过程进行数值仿真,探讨拱坝动力破坏过程、破坏形态,并与试验结果进行对比分析。结果表明：模型试验和对原型进行的数值模拟所得到的破坏过程和破坏形态都较为接近。在顺河向地震作用下,顶拱的坝中部位为地震应力最高的区域,是坝体薄弱的部位,整体拱坝首先在该位置出现裂纹,其次是顶拱距左右两岸1/4拱圈处。在强震作用下,拱向和梁向裂缝贯穿上下游,将导致拱顶中部的混凝土脱离坝体,丧失壅水功能。试验和计算结果相互印证,可呈现高拱坝在强烈地震作用下的损伤破坏过程及破坏形态,确定抗震薄弱环节,为混凝土高坝的抗震功能设计提供基础。     

爆炸荷载下不同约束钢筋混凝土柱的响应分析

结构底层柱在爆炸冲击荷载作用下的破坏会导致整体结构连续性倒塌。本文以理论分析为基础,运用有限元软件LS-DYNA对爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应进行数值模拟。通过建立三维实体钢筋混凝土柱模型,对混凝土材料采用了脆性损伤模型,分析了不同约束情况的柱在不同折合距离时的侧向位移和失效模式。结果表明,不同折合距离下的两端固接柱的压力云图和x向位移具有明显的对称性,相同折合距离下的一端固接一端简支柱的最大压力和x向最大位移均大于两端固接柱。     

不同桩基形式高桩码头地震动力损伤振动台试验研究

为研究不同地震动作用下钢管直桩与钢管斜桩高桩码头结构的动力反应特征及桩基结构震损模式,以某典型钢管桩基高桩码头为研究对象,基于相似准则,设计并开展了室内振动台试验研究。研究表明：远场地震动对直桩桩基码头结构的影响较大,而斜桩结构对近场地震动的激励更敏感。地震动作用下,直桩模型无明显损伤迹象;斜桩模型桩体在桩顶处发生断裂,且在固结泥面处发生了屈曲破坏。其破坏原因是：在持续强震荷载的作用下,伴随大变形的产生,大刚度斜桩结构承受了较大的地震作用,桩顶部弯矩瞬时急剧增大,致使斜桩发生断裂,导致结构的脆性破坏,属于非延性设计。基于以上研究,建议在地震动峰值加速度小于400Gal时可采用钢管斜桩高桩码头的结构形式。     

爆炸荷载作用下钢结构的动力响应与破坏模式

采用对空气扩散有限制的典型爆炸超压模型,考虑应变速率和损伤累积效应对钢材的影响,应用ABAQUS有限元分析软件,对钢柱和平面钢框架在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏模式进行了数值模拟和分析。结果表明:采用Johnson-Cook本构模型以及考虑损伤累积效应的失效准则,可以有效地模拟钢结构在爆炸荷载作用下的动力反应;降低柱顶集中荷载或者减小柱长度,可以有效地提高钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力;在爆炸荷载作用下,钢柱产生不可恢复的塑性变形而丧失承载能力,是平面钢框架发生整体倒塌的主要原因。     

地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力分析

本文基于有效应力动力分析法，运用二维显式有限差分程度FLAC对地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力响应进行数值分析，编制了周围土体介质分析模型的程序模块并与FLAC接口，考虑了水平和竖向地震荷载对地下结构的耦合效应，得出了竖向地震荷载对地下结构的破坏有重要影响的结论。     

预应力混凝土梁在地震作用下的损伤-破坏模型

结构在地震作用下的损伤状况及其抵御破坏荷载的残余能力,是抗震优化设计和震后工程加固的重要依据。根据对预应力混凝土梁在不同荷载历程下的耗能、破坏特性的试验研究,本文提出了构件破坏的定义,给出了构件在循环荷载下的破坏弯矩与骨架曲线破坏弯矩的数学关系,建立了预应力混凝土梁在地震作用下的损伤-破坏模型。该模型综合了变形、能量累积以及荷载历程对预应力混凝土构件损伤-破坏的影响,对不同的地震模式有更好的适用性。     

基于能量耗散原理的盐岩动力特性及破坏特征分析

 为研究盐岩的动力特性和破坏特征,利用带围压的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对盐岩进行不同围压(5,15和25 MPa)下的冲击试验,并基于能量耗散原理来研究盐岩动态力学性能以及破坏特征,分析整个试验过程中的能量传递与转化,探究围压和输入能量对试件吸能及破坏的影响。研究结果表明：在同一围压下,随着入射能的增加,盐岩硬化效应越明显,表现为能量反射率增高而透射能和吸收能降低;在相同或相近的入射能下,随着围压的升高盐岩的流塑性变得越明显,但在动力荷载下盐岩由流塑性向脆性转变,最后发生脆性破坏;随着吸收能的增加,盐岩的峰值应力因围压不同而表现出不同的变化趋势,低围压时,吸收能越大,峰值应力越高,而高围压时,吸收能越大,峰值应力却越小;在有围压状态下,盐岩的冲击破坏形态与其他的脆性岩石相似,但在破坏机制上存在很大差异。     

冲击载荷作用下岩石损伤的能量耗散

利用一级轻气炮进行平面撞击实验，测量砂岩试件组成的靶板中的应力-时间历程曲线；基于RaIlkinc-Hugoniot守恒方程，计算得到不同冲击荷载下岩石试件中的损伤能量耗散密度，为建立新的岩石动态损伤模型创造了条件。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

基于随机损伤模型的混凝土轴拉破坏过程研究

 采用一维细观力学随机损伤模型,从材料加载过程中损伤能量耗散与应变能释放之间的能量平衡出发,对混凝土试件单轴拉伸破坏过程的稳定性进行分析并得到了破坏过程稳定开展的判定条件。利用这一条件确定了材料由均匀损伤过渡到局部损伤的临界状态,同时指出临界状态异于且滞后于峰值应力状态。临界状态后若为非稳定破坏将发生应力跌落,是材料脆性破坏的表现,若为稳定破坏则材料延性更为明显。理论分析结果表明,包含应力跌落的应力–应变软化不仅与材料力学性能的非均匀性有关,还与试件结构尺寸有关,具有明显的尺寸效应,不能视为单纯的材料属性。最后分别以材料极限应变服从Weibull分布和对数正态分布描述材料的非均匀性,对不同尺寸的混凝土试件轴拉破坏过程进行模拟,表明了所给出结论的合理性。     

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

岩石–混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理,在总结了几种典型接触单元基础上,根据谢和平提出的两体力学模型,采用有限差分程序FLAC,对岩石–混凝土接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟,研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明,两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段,节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

岩石-混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理，在总结了几种典型接触单元基础上，根据谢和平提出的两体力学模型，采用有限差分程序FLAC，对岩石一混凝士接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟，研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明，两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段，节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。     

岩石变形破坏过程的能量演化研究进展

能量演化贯穿于岩石变形破坏全过程,基于能量角度的岩石强度与变形特性的研究,深入揭示其物理力学本质,并合理搭建理论分析至实际工程应用的桥梁。本文系统总结数十年来国内外对于不同应力状态、不同应力路径和不同加载速率下岩石的静动态能量演化规律和分配关系及尺寸、含水率、孔隙率等因素对其的影响;归纳了基于能量原理的岩石强度准则、损伤演化及本构关系、疲劳寿命预测及岩爆预测等方面的应用成果。并建议把岩石变形破坏能量演化中的微细观机制与宏观力学行为的关联性、能量演化本构理论、工程岩体稳定性、多能量场耦合作为进一步研究方向。