基于残余应力的复合阻尼模型及在RC梁损伤分析中的应用

传统阻尼模型包括黏滞型、库仑型、复阻尼型及应力型等,以上模型在表征阻尼随结构损伤演变的变化规律方面存在不足。认为钢筋混凝土结构的阻尼耗能主要包括黏滞阻尼耗能和残余应力阻尼耗能,且残余应力包括钢筋和混凝土之间的黏结应力以及混凝土裂缝间的摩擦应力。在此基础上提出基于残余应力的复合阻尼模型,并建立包含黏滞和库仑阻尼的结构动力方程,推导阻尼比随损伤变化公式。分析不同损伤程度下钢筋混凝土结构的阻尼比变化规律,发现残余应力与刚度的比值明显影响损伤过程中阻尼的变化趋势,且复合阻尼模型的参数丰富,适应性强。最后,通过钢筋混凝土简支梁静力损伤试验测试阻尼随损伤程度的变化,结合数值模拟研究阻尼比随损伤程度变化的机理。结果表明:提出的阻尼模型具有明确的力学机理,能够准确地反映钢筋混凝土梁式结构阻尼比随损伤先增大后减小的规律。     

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。     

损伤力学理论在混凝土结构中的应用技术进展

总结了最近几年国内外基于损伤力学理论的混凝土结构性能研究。详细概述了静力损伤本构关系、动力损伤本构关系、弹塑性损伤本构关系、混凝土随机损伤本构关系、徐变损伤模型、冻融作用下的损伤模型和腐蚀-化学作用下的损伤模型。总结了该研究领域存在的一些问题,并对今后的研究方向提出了建议。     

混凝土确定性及随机性损伤本构模型研究进展

混凝土损伤本构模型的建立对表征混凝土力学行为与认识其本质至关重要。从确定性与随机性两个层面梳理了国内外混凝土损伤本构模型的研究历史和最新进展情况,针对不同模型的损伤定义方式、损伤演化规律、损伤物理机制等进行探讨,通过对比分析总结了混凝土材料的非线性、随机性和动力荷载下的率敏感性等特征,提出发展混凝土损伤本构模型的关键问题,为建立更完善的混凝土损伤本构模型提供参考。     

面向RC结构损伤演变的位移相关型阻尼模型及参数识别

针对目前阻尼模型不能充分反映钢筋混凝土结构阻尼与损伤之间关系的不足,提出位移相关型非线性阻尼模型,该模型既能反映结构振动过程中的粘滞阻尼耗能又能反映与结构损伤相关的内摩擦耗能。将内摩擦阻尼分解为残余应力效应和粘结滑移效应。基于能量守恒原理提出模型中阻尼参数的识别方法,并进行数值验证。对一钢筋混凝土简支梁进行损伤加载和动力测试,基于位移相关型非线性阻尼模型和相关动力学模型识别各损伤状态下的阻尼参数,分析其变化规律及非线性阻尼与损伤之间的内在联系。结果表明位移相关型阻尼模型不仅能反映阻尼比随位移峰值的增大而增大的现象,还能反映阻尼比随损伤程度的演变规律。     

受侧向约束混凝土的内时损伤本构模型

受侧向约束混凝土结构由于其核心混凝土处于三向受压应力状态,其强度和变形能力有了很大的提高,因此在土木工程得到了广泛的应用。为了更好的描述这一结构形式的强度和变形特征,该文结合Valanis所提出的内时理论和Mazars的损伤理论,建立了一种全新的适用于侧向约束混凝土结构分析的内时损伤本构模型。该模型考虑弹塑性与损伤的耦合,用内时理论来描述混凝土的弹塑性特性,用各向同性损伤理论描述混凝土微裂缝扩展引起的刚度退化,通过与试验结果以及与其他模型的比较证实了模型的正确性和必要性。最后将该本构模型用于对常见的约束混凝土结构,如钢管混凝土和CFRP约束混凝土结构的应力-应变全过程分析中。     

超高层钢框架-钢筋混凝土核心筒结构的弹塑性时程分析

基于合理的材料弹塑性(损伤)本构关系模型,利用通用有限元软件ABAQUS建立了超高层钢框架-钢筋混凝土核心筒结构的精细有限元模型,考虑了结构的几何非线性和材料非线性性能,包括了钢材和混凝土材料的塑性损伤演化。进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,获得了核心筒和楼板的损伤演化过程、顶点位移时程曲线、基底剪力时程曲线、楼层位移角包络曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律。结果表明,罕遇地震作用下混凝土最大损失出现在这类结构体系中核心筒底部,为保证其在罕遇地震作用下更好的工作性能,建议在核心筒底部加强区域增设型钢和提高剪力墙配筋率等措施。采用非线性有限元分析方法,可较为清晰的揭示这类结构体系在罕遇地震作用下的工作特性,有关方法可为同类研究提供参考。     

混凝土结构材料非线性本构参数识别算法研究

针对混凝土材料特性离散性较大、本构参数不确定性较强的问题,本研究提出了基于RSM-CMA的钢筋混凝土结构材料非线性本构参数的识别算法。首先,讨论分析了ABAQUS混凝土损伤塑性模型与规范提供的混凝土本构模型的统一方法,开发了混凝土材料子程序,获取了影响混凝土单轴应力-应变关系的敏感待识别参数,给出了损伤塑性模型屈服面函数与塑性势函数等非识别参数的建议取值。其次,基于响应面法(RSM),实现了结构宏观响应与细观本构参数间隐性关系的显式表达,基于带约束的最小二乘原理,构建目标函数,利用混沌猴群算法(CMA),实现本构参数的优化识别。最后,以钢筋混凝土拱构件的数值仿真为算例,验证了本研究所提算法的准确性。结果表明:抗压强度、峰值压应变是混凝土本构敏感性参数;抗压强度为影响结构极限承载力的最显著本构参数,弹性模量次之,峰值压应变影响最小;本研究所提算法能够较为准确地识别材料的本构参数,有助于获取精确的结构层次宏观响应,可为有限信息下材料本构参数的辨识、获取提供参考。     

形状记忆合金复合材料系统非线性动力学研究

研究了形状记忆合金复合材料系统的非线性动力学特性。基于Brinson的形状记忆合金本构关系和Dejonghe的内耗模型,提出了单自由度简化系统的模型建立方法。考虑材料系统刚度和阻尼的变化,在弱非线性和较强非线性两种情况下给出近似-解析解法。算例表明:形状记忆合金可以作为良好的耗能材料,用于结构的被动控制。     

水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型

多孔多相的饱和混凝土中,孔隙自由水对混凝土的力学特性有显著的影响。该文基于损伤力学基本原理建立了单轴压缩条件下水饱和混凝土的弹塑性损伤本构模型,并结合太沙基“有效应力原理”,认为材料的损伤是由本体有效应力和结构有效应力引起的,根据应力平衡条件得出了两种有效应力下的应力关系方程,并在此基础上建立了水饱和混凝土的单轴压缩损...     

Evaluation of the stress-strain behavior of confined recycled aggregate concrete under monotonic dynamic loadings

Recycled aggregate concrete (RAC) has been attracting worldwide research interests due to its ecological and economic significance. However, RAC has so far mainly been limited to non-structural applications or structural members subjected to static loadings. In this study, the effects of strain rates, the confinement, and the RCA replacement ratio on the mechanical behaviors of confined recycled aggregate concrete (CRAC) are investigated through dynamic tests. The corresponding dynamic increase factor (DIF), confining increase factor (CIF) and replacement ratio influence factor (RIF) are formulated. A constitutive model for CRAC is then proposed through applying DIFs, CIFs, and RIFs to the characteristic parameters. Finally, the predicted stress-strain relationships of test samples using the proposed constitutive model are compared and evaluated with the experimental results. It is concluded that the proposed constitutive model can be applied to the further dynamic nonlinear analysis of RAC structures.     

基于切比雪夫多项式模型的多自由度结构非线性恢复力时域识别

结构非线性恢复力可直接描述其在动力荷载作用下损伤发生发展过程,传统的基于特征值抽取的结构识别方法严格来讲不适应于振动过程中出现损伤的情况。该文利用结构动力响应时程的切比雪夫多项式表示非线性恢复力,在结构质量等物理参数和恢复力模型未知时,提出利用最小二乘优化算法的多自由度结构在完整及非完整激励下非线性恢复力识别方法。对一个含磁流变阻尼器的多自由度数值模型和一个带磁流变阻尼器的四层框架结构的非线性恢复力进行了识别,在数值模拟中探讨了测量噪声对识别结果的影响,并与基于幂多项式模型的方法的结果进行了对比。结果表明,所提出的非线性恢复力识别方法能对结构的非线性恢复力进行有效识别,识别精度高,可用于工程结构在强动力荷载作用下的损伤发生发展过程的监测与识别,并对结构耗能进行定量评估。     

一种新的混凝土各向异性弹塑性损伤本构模型及其数值实施

该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型,以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制,建立了拉、压不同的两种损伤演化方程,用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外,根据应变等效假设,假定有效构型和损伤构型的应变相等,该方法不仅大大简化了模型的推导过程,而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算,也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现,损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现,从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明：该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为;对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明：该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点,计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况,计算效率也更高。     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

考虑橡胶垫弹塑性性能及结构阻尼比变化的隔震结构动力分析

本文的主要工作:(1) 在一个通用的高层建筑空间动力分析程序HBTA[1]的基础上增加了铅芯叠层钢板橡胶垫的弹塑性本构关系,改进后的程序能够考虑橡胶垫在双向水平力作用下两个方向恢复力和位移相互耦合的弹塑性性能。(2) 为了反应橡胶垫隔震层与上部混凝土结构阻尼比不同的特点,本文还运用线性加速度逐步积分法和Wilson抭法的基本原理,推导出了适用于隔震结构动力方程的逐步积分公式,该公式能够同时进行隔震建筑上部和下部两个子结构动力方程的时程反应计算。笔者对上述工作进行了程序实现和实例计算,结果表明考虑上部结构及橡胶垫隔震层不同阻尼比是完全必要的。     

基于ABAQUS的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土损伤塑性本构模型取值方法研究

该文基于ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型（CDPM）,研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的CDPM本构参数的取值方法,包括屈服面函数、塑性势能函数中参数的确定,以及单轴应力-应变关系的定义,并分析不同CDPM本构参数对数值结果的影响。通过对纤维混凝土材料的典型多轴加载力学行为以及混杂纤维混凝土柱构件的抗震性能进行了数值模拟并与文献试验结果进行对比,验证该取值方法的合理性及适用性。结果表明,采用CDPM并选择适当的本构参数能够准确地描述钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的非线性力学行为,该方法能够为纤维混凝土结构在复杂荷载状态下的精细化设计与分析提供参考。     

单自由面混凝土介质中的深孔爆破数值分析

深孔爆破在混凝土结构物的爆破拆除中是一种常用的方法。本文基于大型非线性动力分析软件LS-DYNA,采用著名的混凝土损伤Johnson-Holmquist-Concrete模型,针对单自由面条件下混凝土介质中深孔爆破的情形,开展了大量的数值模拟;对炮孔周围的介质损伤、有效应力场、压力场、速度场以及药室的“扩孔”效应进行了比较全面的分析研究,得出的结论在工程实践中具有一定的参考价值。     

混凝土动力强度提高的机理探讨

土木工程中,混凝土结构都不可避免的会承受动力荷载,尤其是对高拱坝来说,地震荷载是非常重要的荷载。准确地认识混凝土材料的动态力学性能是进行准确的混凝土结构动力响应分析的基础。因此混凝土动力本构模型的研究是一个十分有意义的课题。而现有混凝土动力模型大多是宏观、唯像的模型,很难反映混凝土材料的细观特征。采用细观力学方法得到了混凝土的动力强度,与文献中的试验结果对比吻合得较好。     

单自由面混凝土介质中的深孔爆破数值分析

深孔爆破在混凝土结构物的爆破拆除中是一种常用的方法。本文基于大型非线性动力分析软件LS-DYNA,采用著名的混凝土损伤Johnson-Holmquist-Concrete模型,针对单自由面条件下混凝土介质中深孔爆破的情形,开展了大量的数值模拟;对炮孔周围的介质损伤、有效应力场、压力场、速度场以及药室的“扩孔”效应进行了比较全面的分析研究,得出的结论在工程实践中具有一定的参考价值。