混凝土拉-压疲劳损伤模型及其验证

基于连续损伤力学理论,提出了混凝土单轴拉-压疲劳损伤模型。模型中采用了拉和压两个边界面。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内,由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈值之间的关系,确定了疲劳加载中极限断裂面尺寸的变化规律,由此模拟混凝土在循环荷载作用下的刚度退化过程。结合作者完成的疲劳试验结果,确定了理论模型中的计算参数。经比较,理论模型预测的应力-应变数值、疲劳寿命和试验结果吻合较好。     

钢筋混凝土桥梁疲劳累积损伤失效过程简化分析方法

为了有效预测疲劳损伤累积程度与桥梁剩余寿命,提出了钢筋混凝土桥梁结构在运营荷载下疲劳失效全过程数值模拟的简化方法。首先,根据混凝土及钢筋疲劳刚度退化、疲劳强度退化与疲劳残余变形演变规律,建立了混凝土及钢筋经历任意次数疲劳加载后的剩余强度包络线方程,基于混凝土单轴本构模型和钢筋理想弹塑性模型,建立了混凝土及钢筋疲劳本构模型;然后,在此基础上对文献提出的疲劳全过程分析法进行了改进,提出了疲劳损伤累积失效全过程数值分析法;最后,基于ABAQUS 软件平台和该文方法,对某钢筋混凝土简支梁算例进行疲劳全过程数值分析。结果表明:利用该文方法得到的模拟值与试验值的相对误差处于合理范围之内,验证了该文方法的可靠性和实用性。     

定侧压混凝土双压疲劳损伤模型

基于边界面概念和损伤力学理论,建立了一向定侧压混凝土双轴压各向异性损伤模型。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内,由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈值之间的关系,确定了疲劳加载中极限断裂面尺寸的变化规律,由此模拟混凝土在循环荷载作用下的刚度退化过程。结合已有的试验结果,确定了理论模型中的计算参数。经比较,理论模型预测的应力-应变数值、疲劳寿命和试验结果吻合较好。     

组合梁疲劳后的刚度退化规律及计算模型

为了研究钢-混凝土组合梁在疲劳荷载作用下刚度的退化规律,设计并制作了6根栓钉试验梁进行了静力和疲劳试验。该研究对比了不同疲劳加载次数后试件的破坏形态,重点分析了组合梁在疲劳加载过程中荷载-挠度曲线、残余挠度以及相对滑移量的变化情况;将疲劳试验过程中每根试验梁的刚度退化与残余挠度、相对滑移增长之间作了相关性分析,探讨组合梁刚度退化的实质原因;基于刚度退化函数,通过试验数据拟合,建立了用于计算钢-混凝土组合梁刚度退化计算模型。结果表明:在疲劳荷载作用下,组合梁刚度会发生不可逆的退化,刚度退化实际上是材料疲劳损伤和抗剪连接程度退化的宏观表现;随疲劳循环次数增加,组合梁刚度退化规律呈现明显的"S"型单调递减趋势;该研究建立的组合梁刚度退化规律模型,计算值与试验值吻合良好,具有一定的适用性。该研究成果为组合梁疲劳荷载作用后刚度退化模型的建立提供了一种思路和方法。     

基于有效累积滞回耗能的钢筋混凝土构件承载力退化模型

在模拟地震作用下建筑结构的非线性响应时,应正确考虑构件的累积损伤对结构性能的影响。钢筋混凝土构件在反复受力下的承载力退化是其累积损伤的重要体现。该文根据不同加载路径下钢筋混凝土柱的试验资料,通过考察不同加载路径对构件承载力退化的影响,指出累积滞回耗能引起的构件损伤程度,与产生该累积滞回耗能的位移幅值有关。基于这一结果,该文提出了有效累积滞回耗能的概念,以综合考虑累积滞回耗能和相应的位移幅值对承载力退化的影响。与试验结果的比较表明,有效累积滞回耗能与构件承载力退化程度之间有良好的相关性。分析结果表明,所建议的基于有效累积滞回耗能的承载力退化模型可较好地模拟不同往复加载路径下钢筋混凝土构件的滞回曲线。     

复合材料单钉接头疲劳累积损伤破坏分析

基于时间增量原理 , 推导了层合板接头疲劳加载累积损伤应力2应变分析的虚功方程。同时 , 引入Hashin三维疲劳失效准则进行材料的损伤判定 , 并结合建立的疲劳加载材料退化模型、 4种基本损伤机制相互关联作用的材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据 , 建立了层合板接头疲劳载荷作用下三维累积损伤分析的寿命预测方法。最后 , 对层合板接头拉2拉疲劳载荷作用下的损伤累积扩展与失效规律进行了仿真分析 , 并与试验结果进行了对比 , 结果表明 : 本文中建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。      

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。     

基于能量耗散机制的混凝土受压损伤模型

为模拟混凝土滞回行为,在传统损伤力学模型中引入非线性卸载-线性重加载路径,然后采用累积耗散能量定义损伤因子,建立了基于能量耗散机制的各向异性受压损伤模型。应用该模型模拟混凝土受压往复加载试验,并进行损伤指数?的敏感性分析。计算结果显示,模型获得的应力-应变响应与试验结果具有良好的可比性,能够反映损伤导致的刚度退化、残余变形累积以及加卸载过程中的滞回耗能现象。同时,损伤指数?的取值对计算精度影响显著,必须完善其率定方法。数值算例表明,该模型可以应用于模拟受压往复加载作用下的混凝土非线性力学行为。     

橡胶混凝土单轴受压疲劳性能研究

为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能,用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土,进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量,并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析,得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明:应力水平相同时,橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土,且随橡胶掺量的增加,混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律,橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析,可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。     

加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响

沥青混合料在变幅加载下的疲劳损伤累积过程具有明显的非线性特征,然而传统的线性损伤累积准则无法表征不同加载次序下的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。为研究加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响,首先开展恒幅加载疲劳试验,分析恒幅加载下的疲劳损伤累积规律;其次借助变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下的疲劳损伤累积规律;最后建立考虑加载次序的NLFDA模型,分析加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响。结果表明：恒幅加载下沥青混合料疲劳损伤发生非线性演化,但服从线性损伤累积准则,且累积寿命分数为1;变幅加载会导致疲劳损伤发生非线性演化,且服从非线性损伤累积准则,低-高和高-低加载次序的累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可较为准确地表征沥青混合料疲劳损伤对加载次序的依赖性。     

建筑结构钢材及其焊缝循环微观损伤模型的韧性参数校正分析

为预测Q235B和Q345B钢材循环荷载作用下的断裂,该文以适用于超低周疲劳断裂预测的微观力学模型退化有效塑性应变模型(DSPS)和循环孔穴扩张模型(CVGM),进行缺口圆棒循环加载试验,并结合有限元软件ABAQUS,校正Q235B和Q345B普通钢材基于微观机理的超低周疲劳断裂预测模型参数。试验分别从Q235B和Q345B母材、焊缝熔敷金属及热影响区取样并加工成缺口圆棒,在两种加载制度条件下,进行超低周循环加载试验,并利用有限元对钢材断裂进行预测。研究结果表明:Q235B钢材较Q345B钢材表现出了较好的延性,但耗能总体弱于Q345B钢材;CVGM模型的预测比DSPS模型预测更加精准,在C-PTF加载制度下微观损伤模型预测程度好于CTF加载制度。CVGM模型与DSPS模型均可较准确预测循环荷载下的断裂。     

考虑冻融损伤的钢筋混凝土框架节点恢复力模型研究

为了研究冻融环境下钢筋混凝土框架节点的抗震性能,对6个经受不同冻融循环次数作用后的钢筋混凝土框架节点进行低周反复加载试验,分析框架节点的滞回曲线特性。基于试验结果,得到了简化三折线型骨架曲线模型,并给出了相应的确定方法。采用回归分析方法,得到考虑冻融损伤的钢筋混凝土框架节点的极限功比系数I数学表达式,进而确定基于循环耗能的循环退化指数,通过对构件在反复荷载作用下的屈服荷载、硬化刚度、卸载刚度以及承载力等各项力学性能的退化机理进行了描述,进一步建立适应于冻融损伤的钢筋混凝土框架节点的恢复力模型,并给出了具体的滞回曲线规则。研究表明:冻融作用使得节点梁纵筋粘结性能劣化明显,累积耗能随着冻融循环次数的增加而降低;通过考虑刚度、强度的循环退化规律能更好的反应冻融节点“捏缩”效应,更与实际吻合;建议的恢复力模型与试验结果想接近,可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

单向层合板拉-拉及压-压疲劳加载材料退化模型

以刚度退化为基础,并结合正则化疲劳寿命预测方法,推导建立了单层板疲劳累积损伤过程剩余刚度退化模型,同时给出了剩余强度退化模型.本文退化模型适用于拉-拉及压-压疲劳加载任意应力水平和应力比下的单层板疲劳寿命预测,所建立的剩余刚度退化模型显著减少为获得模型参数所必需的试验件数量,经济性好.最后,通过试验研究,建立了材料T300/BMP-316单向层合板疲劳加载各主方向剩余刚度退化表达式、剩余强度退化表达式及疲劳寿命表达式,为层合板结构疲劳损伤分析提供了有力依据.     

钢筋混凝土吊车梁的混凝土疲劳概率分析

本文基于吊车荷载随机数学模型和混凝土的疲劳试验结果,进行了钢筋混凝土吊车梁混凝土的疲劳累积损伤概率分析,提出了钢筋混凝土吊车梁的混凝土疲劳可靠性分析和疲劳寿命估计方法。     

拟静力作用下群钉连接件抗剪性能研究

为研究低周往复荷载作用下群钉连接件的劣化过程和退化机理,以栓钉直径、混凝土强度等级、加载方式为参数设计9个试件进行试验,并采用ABAQUS进行精细分析,研究群钉抗剪连接件的破坏模式、刚度退化、损伤累积、抗剪承载力及能量耗散等指标。结果表明:混凝土强度相同时,试件的抗剪承载力随栓钉直径的增加而提高,而抗剪刚度和能量耗散等指标变化不明显。对于直径较大的栓钉,各项性能指标还会出现劣化。混凝土强度增加,试件的抗剪承载力和抗剪刚度提高,耗能增加,滑移值减小。低应力循环加载时,试件较早出现损伤累积,其损伤累积速度随栓钉直径的增大而增加。高应力循环加载时,试件表现出损伤累积滞后现象,在第3个循环节开始出现损伤快速累积。群钉多层排列时,栓钉传力不均匀,靠近加载端的栓钉承担的剪力大于其他栓钉。当混凝土强度在C35和C45之间时,建议采用直径16 mm的栓钉与之搭配。     

预应力混凝土梁变幅疲劳性能试验研究

对后张法预应力混凝土梁进行多级疲劳荷载循环试验,分析预应力混凝土梁在疲劳荷载下的裂缝开展情况及梁体刚度退化情况,推导预应力混凝土梁疲劳刚度退化方程,编制疲劳挠度计算程序。结果表明：未达开裂荷载水平时,预应力混凝土梁在疲劳循环荷载下亦出现裂缝,且裂缝出现时间与应力水平有关;梁体刚度在疲劳荷载循环的前15万次中降低幅度较大,之后呈稳定降低趋势;疲劳试验梁静载挠度在静载破坏试验开裂前较静载梁大;但随荷载增大,静载梁裂缝发展较完全;后两者挠度较接近,疲劳梁破坏时挠度较静载梁大20%;基于刚度退化方程的疲劳挠度计算程序结果与实验值吻合较好,可用于计算、预测疲劳挠度。     

酸雨环境下锈蚀RC剪力墙恢复力模型研究

出于酸雨环境下锈蚀RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,该文提出了酸雨环境下RC剪力墙宏观恢复力模型,通过对6榀锈蚀RC剪力墙拟静力试验结果进行回归分析,得到了考虑轴压比与钢筋锈蚀率影响的锈蚀RC剪力墙骨架曲线特征点荷载与位移修正系数计算公式,以循环退化速率来表征构件强度和刚度的退化,确定了基于循环耗能的循环退化指数β_i,并进一步建立了可考虑捏缩效应、屈服强度退化、峰值强度退化、卸载刚度退化及再加载刚度退化的锈蚀RC剪力墙滞回模型。与试验结果对比发现:采用该模拟方法得到的各试件的骨架曲线、滞回曲线以及试件破坏时的累积耗能均与试验结果吻合较好,表明所建立的锈蚀RC剪力墙宏观恢复力模型能较为准确的反应酸雨环境下RC剪力墙结构的力学性能及抗震性能,可为该类结构的抗震性能评估提供理论参考。     

相位角加载条件下2A12铝合金多轴疲劳失效行为

采用SDN100/1000电液伺服拉扭复合疲劳试验机对2A12铝合金进行不同相位角加载条件下多轴疲劳试验研究,通过加载循环曲线和微观断口形貌分析失效机理,对不同损伤累积模型的预测效果进行评价,修正Manson损伤曲线模型以期达到更好的预测效果。结果表明:单级加载条件下,随相位角正弦值的增加疲劳寿命线性递减,当相位角为0°时,轴向硬化、软化交替出现,切向出现循环硬化,90°加载下轴向和切向单独作用效果明显;两级累积路径下,随一级加载周次的增加多轴疲劳寿命延长,0°加载阶段轴向和切向都出现循环硬化现象,两种路径下断口都呈现出多裂纹源特征,在裂纹源区附近观察到台阶状形貌,扩展区存在大量划痕和鳞片状花样;修正后的Manson损伤曲线模型预测误差均在15%以内。     

考虑支座及挡块力学性能退化的桥梁横向地震响应分析

板式橡胶支座的摩擦滑移特性及横向挡块力学性能是影响中小跨径梁桥横向抗震性能评价的重要因素。通过循环水平加载试验,考虑橡胶材料、竖向压应力及加载速率等参数,探讨了板式橡胶支座摩擦滑移特性及滑移后力学性能;在此基础上,对一座三跨预应力混凝土连续梁桥模型进行动力增量分析,分析了板式橡胶支座的滑移损伤及挡块力学性能退化对横桥向地震响应的影响。结果表明:循环水平荷载作用下的板式橡胶支座会因摩擦滑移而发生一定损伤,不同影响因素下损伤情况不同,但其摩擦滑移特性均会逐渐趋于稳定;板式橡胶支座摩擦滑移损伤及挡块的力学性能退化对横桥向地震响应影响较大,且其相互影响,在中小跨径梁桥抗震分析中应同时考虑。     

基于循环孔洞扩张模型的Q355钢超低周疲劳断裂数值模拟

基于微观断裂力学的循环孔洞扩张模型是进行钢材超低周疲劳断裂分析的有效手段。通过光滑圆棒循环加载试验,确定了Q355钢混合强化模型材料参数;进行了不同加载方式下Q355钢单边缺口试件的超低周疲劳试验,确定了试件的超低周疲劳寿命及其断裂发展过程;建立了单边缺口试件有限元模型,基于有限元分析结果,采用循环孔洞扩张模型对试件的超低周疲劳寿命进行了预测,并通过编写用户子程序,删除断裂单元以模拟试件的断裂扩展过程,对试件的超低周疲劳断裂全过程进行了数值模拟。数值模拟结果与试验结果基本吻合,验证了循环孔洞扩张模型对钢材超低周疲劳断裂全过程数值模拟的适用性。