混凝土弹塑性损伤本构模型研究Ⅱ:数值计算和试验验证

针对建议的基于能量的混凝土弹塑性损伤本构模型[1],将损伤演化和塑性变形解耦,本文建立了模型的弹性预测-塑性修正-损伤修正数值分析框架,给出了无条件稳定的应力更新算法和相应的算法一致性切线模量。在弹性预测-塑性修正过程中,利用谱分解回映算法建立了塑性流动因子和硬化参数的统一迭代格式,减小了有效应力更新的计算量。根据上述数值算法,编制非线性有限元分析程序,对单调和低周反复荷载作用下的混凝土材料和结构试验进行数值模拟,分析结果表明建议的弹塑性损伤本构模型可以较好地描述混凝土材料的典型非线性行为,其数值方法是有效的,为进一步的结构非线性分析应用奠定了基础。     

基于不同本构模型的混凝土结构地震倒塌对比分析

基于混凝土材料本构模型,结合精细化结构单元模型和高效稳定的数值算法,实现了混凝土结构的动力倒塌全过程分析。对建模方法、结构分析方法、材料与构件失效准则等进行了简要介绍。以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例,分别采用混凝土弹-脆性本构模型、弹塑性本构模型和随机损伤本构模型进行了结构地震倒塌全过程分析。结果表明：混凝土本构模型对结构倒塌分析具有重要的基础地位,本构模型选取不当,将给出错误的倒塌模式或分析结果;混凝土随机损伤本构模型能够准确地预测结构的强非线性行为,可用于复杂混凝土结构倒塌全过程的模拟。     

混凝土弹塑性损伤本构模型研究Ⅰ:基本公式

从分析混凝土材料的基本损伤机制出发,本文采用受拉损伤变量和受剪损伤变量反映微观损伤对混凝土材料宏观力学性能劣化的影响,建议了一类基于能量的弹塑性损伤本构模型。该模型基于有效应力张量分解定义材料的弹性Helmholtz自由能,并根据有效应力空间塑性力学确定了塑性变形的演化法则和塑性Helmholtz自由能。由此给出了材料的总Helmholtz自由能和弹塑性损伤能释放率,建立了符合热动力学基本原理的损伤准则,并根据正交法则得到了损伤变量的演化法则。对Kupfer双轴试验的数值模拟结果初步说明了模型的有效性。文中涉及到的数值算法及进一步的试验验证将在本文第Ⅱ部分给出。     

木材本构模型研究进展

木材本构模型是木结构受力分析的基础。基于木材各纹理方向的单调加载、重复加卸载试验结果，总结了木材的失效机理及其非线性受力特征。在此基础上，梳理了木材经验本构模型、弹性本构模型、弹塑性本构模型和损伤本构模型的研究现状，分析了上述本构模型对木材非线性受力行为的表征能力及其存在的问题。结果表明：木材非线性受力特征包括顺纹及横纹受拉脆断、顺纹受压应变软化、横纹受压应变强化、顺纹和横纹剪切脆断、顺纹和横纹受压卸载时存在的不可恢复变形和刚度退化行为等；不同本构模型对木材非线性受力特征的表征能力不同，但弹塑性损伤本构模型最能全面反映其非线性受力机制。对于木材本构模型，亟待深入开展的研究工作，主要包括：建立基于木材宏观构造特征与物理性能的全部弹性常数预测模型；建立复杂受力状态下木材损伤机制与强度准则；建立可以考虑塑性与损伤耦合效应、材质劣化效应的弹塑性损伤本构模型，为进一步完善木材本构模型提供参考。     

基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析

为预测木材复杂的受力行为,在弹塑性理论和连续介质损伤力学的框架内建立了木材三维弹塑性损伤本构模型。采用Hill屈服准则和Voce强化模型描述木材受压硬化行为;通过修正后的Hashin破坏准则和指数型损伤演化模型控制木材受拉、受剪的损伤演化过程。基于应变增量法求解本构模型的数值解,并采用Newton-Raphson迭代法求解塑性应变。通过编写用户自定义子程序（UMAT）将本构模型嵌入商业有限元软件ABAQUS,并根据试验结果对本构模型进行了验证。针对木材顺纹和横纹受压试验的数值模拟结果表明,该模型可以有效地描述木材的受压非线性硬化行为。针对木材斜纹受拉试验的数值模拟结果表明破坏准则可以较为准确地识别木材在横纹拉应力和顺纹剪应力作用下的破坏模式,损伤演化模型可以合理地控制木材的损伤演化过程。     

混凝土应变率型弹塑性损伤本构模型

针对混凝土在不同应变率加载作用下的变形和强度特征,在现有试验数据研究基础上,首先提出了基于热力学定律的一般弹塑性损伤模型,再将应变率敏感性参数引入其中,推导出了应变率型弹塑性损伤本构模型.模型计算结果与试验结果比较表明,所建立的本构模型可以很好地描述混凝土在不同加载速率时的力学特征.应用该模型可预测大范围应变加载情况下混凝土破坏强度.结果表明：应变率对混凝土力学性能影响较大.     

快速加载下钢管混凝土柱动力性能数值模拟

为研究圆钢管混凝土柱在快速加载下的力学性能,将应变率引入到混凝土损伤塑性模型和钢材弹塑性模型中,建立了考虑应变率效应的混凝土损伤塑性模型和钢材弹塑性模型。应用该模型对圆钢管混凝土短柱在快速加载下的力学性能进行数值模拟,通过与试验结果进行对比,验证了考虑应变率效应的数值模型能更好地描述快速加载下钢管混凝土柱的力学性能。同时,利用建立的考虑应变率效应的混凝土损伤塑性模型和钢材弹塑性模型对不同加载速率、宽厚比、混凝土强度的钢管混凝土柱的非线性行为进行了模拟分析。结果表明,随着加载速率、宽厚比和核心混凝土强度的提高,构件的承载力也随之增大。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

钢-混凝土混合结构振动台试验的弹塑性损伤分析

通过LS-DYNA程序,二次开发了钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,其中钢材损伤模型采用混合强化准则,可考虑材料的Bauschinger效应;混凝土损伤模型定义了拉、压两个损伤指数,能较为准确地模拟混凝土单边效应、箍筋约束效应等。结合程序中基于显示算法的纤维单元,建立了结构整体数值分析模型,并通过一个缩尺比例为1∶4的3层钢-混凝土混合结构模型振动台试验,验证了数值分析模型的分析精度,数值模拟得到了模型结构的损伤发展过程。此外提出一种通过实测应变反演应变测试部位材料的应力和损伤发展的方法,研究表明,应变反演能充分利用应变测试数据,获得材料应力和损伤发展过程,并对结构的性能退化进行评估。     

混凝土宏观本构模型研究进展

近年来,随着结构工程的快速发展,对工程结构在罕遇地震和风载作用下的精准数值模拟与性能化设计提出了更高需求。结构工程中的混凝土材料属于准脆性材料,试验表明混凝土具有显著的受压软化、受拉软化、剪切软化和捏拢效应等难题,传统混凝土材料的数值模拟精度已严重制约了结构工程的发展。此外,由于大型商用有限元软件中提供的混凝土本构模型相对较少,也不利于非线性数值模型的推广应用。本文概述了结构工程数值模拟中常用的六种混凝土数值模型,包括非线性弹性模型,脆性裂缝模型,弹塑性裂缝模型,损伤模型,微平面模型和基于解耦假定的全量型本构模型,并基于文献调研评价了已有模型的不足。本文可为结构工程领域的研究与设计人员提供混凝土本构模型的选用和参数标定提供相关依据。     

Nonlinear Damping Identification in Precast Prestressed Reinforced Concrete Beams

Abstract:  This article presents a damage detection method for prestressed reinforced concrete (PRC) elements based on free vibration tests and nonlinear damping identification. Integrated static and dynamic experiments were carried out on three precast PRC beam specimens. The static loading induced different levels of damage to the beams. At each damage level, impulsive loading was applied to the beams and the free vibration response was measured. The dynamic response data were processed using different methods including the multi-input multi-output (MIMO) curve fitting and the Hilbert transform techniques. A strong correlation is observed between the level of concrete damage (cracks) and the amount of nonlinear energy dissipation that can be modeled by means of quadratic damping. The nonlinear damping can be extracted from the free vibration response for each vibration mode. The proposed method is suited for quality control when manufacturing precast PRC members, and can be further extended for in situ detection of damage in concrete structures under ambient vibration.     

基于信息熵的钢筋混凝土梁非线性分析

利用线性运动方程和非线性运动方程计算出钢筋混凝土梁在考虑材料非线性以及材料非线性带裂缝时,在脉冲激励作用下自由振动时对应的加速度响应值,通过改变脉冲激励、刚度、阻尼以及非线性系数,分析比较了在不同非线性程度下的加速度响应下所对应的小波时间熵的变化规律,从而反映钢筋混凝土梁运动方程的非线性程度。为小波时间熵识别非线性程度在土木工程损伤领域中的应用提供了相关依据。     

基于材料非线性的结构抗震性能评价方法

利用基于材料非线性的精细化有限元模型,根据混凝土损伤和钢材等效塑性变形得到了结构材料、构件、楼层、整体结构的损坏等级并研究了将其作为抗震性能指标的合理性。为进一步丰富结构抗震性能评价指标,给出了楼层非线性耗能、整体结构的非线附加阻尼比、刚度退化系数的计算方法。将上述计算和评价方法在完全自主研发的非线性显式动力有限元分析软件SAUSAGE中完成开发。利用SAUSAGE分析了某超高层框架-剪力墙结构在7组地震动不同强度作用下的非线性动力响应。讨论了材料应力、截面内力、损伤、等效塑性应变作为抗震性能评价的可行性。对比了不同强度地震作用下结构层间位移角、层间剪力退化系数、楼层非线性耗能、楼层损坏等级作为楼层抗震性能指标并判断结构薄弱楼层的差异。研究了最大层间位移角、基底剪力退化系数、非线性附加阻尼比、刚度退化系数、损坏等级作为结构整体评价指标的合理性及对地震动的离散性;从统计意义上分析了最大层间位移角和其他指标的相互关系。     

再生混凝土悬臂梁阻尼性能与损伤关系的试验研究

再生混凝土结构构件非弹性阶段阻尼性能与其损伤程度密切相关。以再生粗骨料取代率 及其粒级为主要参数,采用悬臂梁低周反复加载和自由衰减振动的交叉试验,研究再生混凝土 悬臂梁在不同损伤阶段的阻尼性能,建立悬臂梁阻尼比与损伤指数的定量关系,探讨悬臂梁裂 缝发展对其阻尼和损伤演变的影响。研究结果表明：再生混凝土悬臂梁阻尼比随损伤指数先增 大后减小,峰值阻尼比是初试弹性阶段阻尼比的2~3倍;损伤指数相同时,再生混凝土悬臂梁阻 尼比随再生粗骨料取代率的增加而增大,随再生粗骨料粒径的减小而增大;再生粗骨料的基本 性质、取代率及其粒级对再生混凝土结构构件的阻尼比和损伤指数影响显著;再生混凝土悬臂 梁阻尼性能和损伤指数的演变与悬臂梁裂缝数量、开展高度及宽度的发展密切相关。     

反复荷载下钢管混凝土柱力学性能的有限元模拟

本文建立了钢管混凝土的非线性有限元模型,对其在往复荷载作用下的滞回性能进行了数值模拟。有限元模型考虑了反复荷载作用下混凝土的损伤、构件的几何非线性以及钢筋和内钢管与混凝土之间的粘结滑移。算例分析结果表明,有限元计算和试验结果总体上吻合良好。     

钢筋混凝土压弯构件考虑阻尼耗能时的地震破坏模型研究

本文分析了钢筋混凝土结构在弹塑性地震反应过程中阻尼耗能的分布和特点。对国内外现有的几种结构地震破坏模型进行了深入的分析比较研究。在分析各种破坏模型优缺点的基础上,针对钢筋混凝土压弯构件提出了考虑了阻尼耗能影响时的地震破坏模型。     

钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构固有频率和阻尼比影响的试验研究

针对钢筋锈蚀使钢筋混凝土结构的抗震性能和耐久性能退化,并且对结构动力特性产生影响的现象,采用电化学加速锈蚀方法,通过法拉第定律控制锈蚀程度,将钢筋的理论锈蚀率分为5%,10%,15%三个锈蚀阶段,在实验室中模拟了钢筋混凝土梁中钢筋的锈蚀过程。根据悬臂梁的自由振动衰减特性,采用自由衰减法采集了钢筋混凝土梁的固有频率和阻尼比,研究了钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁固有频率和阻尼比的影响。结果表明:钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁的固有频率和阻尼比有显著影响,钢筋混凝土梁的固有频率随着钢筋锈蚀程度的加深而呈减小趋势,阻尼比随着钢筋锈蚀程度的加深而呈增大趋势,因此阻尼比可以作为损伤指标用于混凝土结构腐蚀损伤检测。     

混凝土随机冻融损伤三维预测模型

为了有效评估混凝土在冻融循环作用下的损伤,在混凝土损伤力学理论的基础上,结合实验测试建立混凝土冻融损伤预测模型,开展了引气混凝土在冻融作用后抗拉强度测试试验研究.针对混凝土的耐久性失效实质是一个内部损伤演变的逐步劣化过程,对混凝土试块进行网格离散,应用概率方法分析混凝土冻融随机损伤的累积发展过程,建立混凝土损伤演化的三...     

弹丸对混凝土薄板的冲击破坏效应

介绍高速弹丸冲击混凝土薄板后所产生的贯穿破坏效应,通过模型试验、数值模拟和量纲理论分析,取得了三者吻合较好的结果,并导出了计算弹丸穿透混凝土薄板后残余速度的经验公式。通过弹丸撞击有限厚度钢筋混凝土靶板的模型试验,获得了有关靶板冲击破坏的宏观图象及弹丸贯穿靶板后的残余速度。介绍了非线性三维动力有限元程序和混凝土材料的脆性损伤模型,对弹丸冲击效应试验中的靶板破坏过程进行了数值模拟,通过数值模拟计算,形象地再现了弹丸高速冲击作用下,钢筋混凝土靶板发生贯穿破坏的物理过程,数值模拟结果与试验中靶板的实际破坏图象十分吻合。通过量纲分析,得出了描述钢筋混凝土板冲击破坏效果各参数之间的无量纲关系,利用现场试验数据进行回归,导出了贯穿条件下的弹丸余速计算公式。     

钢筋混凝土立筒实仓结构模态试验研究

钢筋混凝土立筒仓动力特性参数是评估筒仓结构抗震性能和损伤状态的基础参数。本文以钢筋混凝土立筒仓为试验对象,开展了基于环境激励的现场实仓模态试验研究,得到了该实仓结构的前四阶固有频率、振型和阻尼比;利用模态分析验证了实测结果的有效性和试验方法的可行性,为在役立筒仓结构的损伤识别奠定基础。