钢材破坏条件与极限分析法在钢结构中的应用探索

该文基于极限应变点破坏的概念提出了钢材的破坏条件,给出了破坏函数与破坏曲面。利用FLAC~(3D)软件以钢简支梁为例,尝试将数值极限分析方法中极限应变法应用到钢结构。该方法利用数值极限分析法求取材料的极限应变,将其作为材料点破坏判据。无论受拉或受压均视钢材为弹塑性材料,钢材达到屈服荷载下的弹性极限应变为屈服,达到弹塑性极限应变为破坏。首先对钢梁材料进行直拉试验,得到钢材的力学参数,进而用数值极限方法求得该钢材的极限应变值,然后对简支钢梁进行纯弯试验直至破坏,用FLAC~(3D)模拟该试验过程,最后将数值计算结果跟实验结果进行对比验证,结果显示钢梁的破坏形态,极限承载力都吻合较好,初步证明极限应变法可用于钢结构,并对基于极限应变的钢梁破坏标准与现行规范破坏标准进行了比较。     

A study of the energy yield criterion of geomaterials

讨论了岩土材料的内摩擦性质,认为其单元体内始终都存在内摩擦力,且摩擦力的方向与剪应力方向相反,是阻止变形产生的。比较了金属材料和岩土材料的变形破坏机制,认为两者存在较大差异,金属材料是由于剪应力的作用使结晶构造产生了滑移破坏,所以应着眼于最大剪应力;而岩土材料属于粒状体材料,其变形和破坏受摩擦法则的支配,由剪应力与垂直应力的共同作用使粒子间克服摩擦产生相对滑移破坏,所以应着眼于最大剪切角。基于此建立了岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker－Prager准则,三剪能量准则当不考虑中主应力影响时简化为Mohr-Coulomb准则,当不考虑内摩擦角时简化为Mises准则。从应力、应变、能量角度对材料屈服准则进行了系统的研究,表明无论采用应力、应变或能量表述,只是其形式不同,而其实质是一致的,三剪能量准则是材料的统一屈服准则。结合岩石真三轴试验结果,分别采用Mohr-Coulomb准则及三剪能量准则进行了验证,结果表明大多数情况下三剪能量准则比Mohr-Coulomb准则误差小,更接近试验结果,证明能量准则是可行的。针对一个简单的边坡算例进行了三剪能量屈服准则的工程应用,计算结果表明只考虑单剪切面的Mohr-Coulomb准则比考虑三剪切面的能量准则偏于保守。     

基于塑性理论的钢筋砼简支深梁的抗剪强度研究(一)

根据混凝土的塑性理论及极限分析的上限方法,探讨了求解钢筋混凝土简支深梁的抗剪强度的数值计算方法。材料性质采用理想的刚塑性模型,混凝土屈服准则采用不考虑混凝土拉应力的修正的库伦屈服准则。分析了钢筋混凝土简支深梁发生塑性剪切破坏时屈服线的形状以及屈服线上混凝土和钢筋的能量耗散情况。最后从能量守恒的原理出发,即屈服线上的混凝土和钢筋消耗能量等于外荷载所做的功,导出了深梁剪切破坏荷载比例因子的隐函数表达式,对此隐函数进行优化求解,得到了深梁发生塑性剪切破坏的极限荷载。     

比塑性功求解线性载荷下简支圆板极限载荷

为了获得线性载荷作用下的简支圆板极限载荷的解析解,本文提出了刚塑性第一变分原理的运动许可应变场,并首次以GM(几何中线)屈服准则塑性比功进行了塑性极限分析.首次获得了GM准则下圆板极限载荷的解析解,该解为圆板半径a、材料屈服极限σs及板厚h的函数.与Tresca、TSS及Mises预测的极限载荷比较表明:Tresca准则预测极限荷载下限,TSS屈服准则预测极限载荷的上限,GM屈服准则比塑性功解析结果恰居于两者之间;GM解略低于Mises解,两者相对误差为3.38%.此外,文中还讨论了挠度与相对位置r/a之间的变化关系.     

脆性材料复合型裂纹的断裂准则

实际工程中,脆性材料中的裂纹多处于复合型受力状态,因此,确定脆性材料中的复合型裂纹起裂角和临界荷载有着重要的理论意义和实用价值。以复合型裂纹为研究对象,将裂纹尖端的最小无量纲塑性区尺度ρmin和广义合成偏应力强度理论相结合,建立脆性材料复合型裂纹的断裂准则,预测裂纹起裂角及临界荷载,将其结果与最大周向应力准则和应变能密度因子准则相比较发现,基于该文方法得到的临界荷载曲线大于最大周向应力准则得到的临界荷载曲线,与应变能密度因子准则得到的临界荷载曲线比较接近。因而,表明了用该文的方法来预测脆性材料复合型裂纹起裂角和临界荷载是行之有效的。     

氧化铝陶瓷动态压缩强度的高压和高应变率效应

平面冲击压缩下材料由弹性到非弹性变形转变的临界值对应着材料的动态压缩强度,高压和高应变率强烈影响材料的强度。采用粘塑性比拟法建立了材料发生非弹性变形的动态屈服条件,并引入Drucker-Prager静态屈服准则,可以联合考虑动态压缩强度的高压和高应变率效应,据此提出了新的Hugoniot弹性极限表征形式。利用轻气炮进行了氧化铝陶瓷平板冲击实验,VISAR测试了样品的自由面速度历程,讨论了氧化铝陶瓷动态压缩强度的测定和存在的不确定性问题。     

基于双重非线性的混凝土坝极限承载力研究

混凝土坝接近破坏时混凝土材料进入塑性状态发生有限变形,研究几何非线性和包含应变软化的材料非线性对其极限承载能力的影响具有实际意义。该文的研究中本构律考虑材料非线性的应变软化,协调律考虑几何非线性,平衡律涉及几何非线性,采用超载法分析混凝土坝的极限承载能力,选取弧长法计算混凝土坝上游水压荷载位移曲线极值点以及下降段,给出...     

环形均布荷载作用下简支圆板的塑性极限分析

本文采用双剪统一屈服准则首次对受环形均布荷载作用下的简支圆板进行了塑性极限分析,得出了相应的统一解形式。已有的Tresca准则、Mises准则、双剪应力准则的解答是文中解答的特例或逼近,它可以适用于不同性状的拉压同性材料。用本文的解还可以推出多种荷载作用下简支圆板的塑性极限荷载。     

活性粉末混凝土拱极限承载力试验研究

进行了两根活性粉末混凝土(RPC)模型拱的L/4处单点加载的面内受力全过程试验,建立了考虑材料与几何双重非线性的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。通过与普通混凝土(RC)模型拱的受力性能的比较,对RPC模型拱荷载-竖直位移曲线、裂缝开展情况、截面应变和结构破坏模式等方面进行了分析。试验与有限元计算结果表明,RPC拱受力过程和破坏模式与RC拱相似,分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段,最终因出现4个塑性铰形成机构而呈塑性破坏,其极限承载力也可用极限分析法进行简化计算。RPC拱由于其材料性能优越,使其受力性能优于RC拱,在同级荷载下RPC拱裂缝的宽度约为RC拱的25%~50%;而RPC拱的开裂荷载、钢筋屈服荷载和极限承载力均较RC拱有明显的提高。在极限承载力相同的条件下,RPC拱的截面积与自重可以减小到RC拱的67%左右,表明RPC可有效减轻结构自重,提高拱桥跨越能力。     

基于双剪统一屈服准则的混凝土矩形板极限荷载的研究

采用双剪统一强度理论（俞茂宏,1991）求出了矩形板的塑性极限荷载的统一解,得出了不同参数b值对极限荷载的影响曲线,从而得出了一系列从Tresca的单剪屈服准则解到双剪应力屈服准则（俞茂宏,1961）的矩形板极限荷载。文献中己有的Tresca解为本文的一个特例。将其用于混凝土矩形板的极限荷载计算,得出了满意的结果。双剪统一强度理论可以给出更符合于各种不同材料特性的合理解。     

广义合成偏应力椭球模型

本文从应力椭球的概念出发，建立了反映岩土类材料屈服与破坏的广义合成偏应力椭球屈服准则，该准则不仅反映了偏斜应力和静水应力对材料的屈服与破坏的贡献，而且反映了岩土类材料的屈服与破坏与静水应力呈非线性的关系以及静压屈服的特性。将该模型应用于混凝土，其结果与公开发表的文献和实验数据取得了很好的一致性。     

核壳网络结构钛氮合金力学性能有限元模拟

利用有限元软件ABAQUS建立不同核壳占比的二维模型,采用von-Mises屈服准则来描述核壳网络结构钛氮合金材料的屈服行为,进而对不同核壳占比的核壳网络结构材料进行拉伸和压缩应力-应变曲线模拟。结果表明拉伸和压缩所得到的应力应变曲线图一样。随着核半径从1 mm增加到3 mm(相当于核的百分比),核壳网络结构材料的屈服强度增大。当应变率为3%时,核壳网络结构材料发生屈服现象,从而进入塑性阶段。     

岩土屈服研究及边坡抗滑桩有限元分析

本文通过研究岩土的屈服与破坏准则,结合有限元软件ansys,对边坡和桩的受力情况进行模拟,分析在顺倾向边坡体的前缘部位开挖公路,进行抗滑桩支护的情况下,坡体的应力应变分布,以及抗滑桩的受力特点,为公路开挖,边坡防护,滑坡抗滑提供技术支持。     

竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥极限承载能力与失效模式分析

提出采用塑性极限分析法研究竖向荷载作用下大跨飘浮体系斜拉桥的极限承载力和失效模式。基于塑性极限分析的相关假定并结合基本机构证明了该方法应用于斜拉桥失效分析的可行性,结合飘浮体系单塔斜拉桥推导了极限承载力计算公式并分析对应的失效模式,通过优化方法-内点法获得斜拉桥塑性极限荷载及其对应失效模式,并与OpenSEES有限元分析结果进行了对比分析。结果表明:竖向荷载作用下,主梁在拉索屈服强度较小时为整体性破坏,反之则为局部性破坏;相比拉索而言,主梁屈服强度对斜拉桥破坏的影响则正相反;拉索锈蚀在降低斜拉桥极限载荷系数的同时也改变其倒塌失效模式;相比于有限元法,塑性极限分析法简便且易操作,可用于研究竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥的极限承载能力与失效模式,且能够快速有效评估结构参数变化对其失效行为的影响。     

考虑塑性徐变的高混凝土坝实测应变转换应力探讨

将应变计组实测应变转换为应力与混凝土的应力状态有关。针对高混凝土坝应力作用水平较高,当混凝土的应力超过一定的限度,混凝土将进入塑性徐变阶段,如果仍基于弹性徐变体的应力-应变关系进行实测应变的应力转换,获得的应力与实际情况不符。该文假设混凝土在高应力作用下将产生塑性流动,根据P.Perzyna假设计算黏塑性应变率,首先推导了最大拉应力屈服准则和Hsieh-Ting-Chen屈服准则的黏塑性应变率计算公式,接着推导了考虑塑性徐变的实测应变转换应力的计算公式,进而探讨了考虑塑性徐变的高混凝土坝实测应变转换为应力。实例分析表明:由于将实测应变转换为应力采用增量法进行计算,在转换过程中,某阶段的应力失真,必然导致后续转换应力的真实性,而考虑塑性徐变的实测应变转换的应力更符合实际情况。     

基于双剪统一强度理论的圆板塑性极限分析

通过对轴对称弯曲圆板在塑性极限状态下应力和弯曲内力的分布研究,建立了双剪统一强度理论下用弯矩表示的屈服条件,即广义双剪统一屈服条件。该广义双剪统一屈服条件是一条对称的外凸闭合折线,可应用于由各种拉压强度比及剪压强度比材料构成的圆板和环板的塑性极限分析。对均布荷载作用下的简(固)支圆板进行了塑性极限分析,得出了圆板的塑性极限荷载、塑性极限状态时的内力场和速度场,分析了拉压强度比α以及中间剪应力影响系数b对塑性极限承载力的影响。     

MY准则解析受内压薄圆环极限压力

目的探明受内压薄圆环极限承压能力。方法首次以MY(平均屈服)准则对受内压薄圆环进行弹塑性分析,克服Mises准则数学求解的困难性,导出塑性区内的应力场,并获得塑性极限压力的解析解。此外,还给出了弹塑性临界半径与内压之间的依赖关系,并分析了二者间的变化规律。结果塑性极限压力的解析解表明,塑性极限压力是材料屈服强度、半径比值的函数;与已有的Tresca、TSS准则获得的结果比较表明,Tresca准则给出极限压力下限,TSS屈服准则给出极限压力上限,MY准则给出极限压力居于两者之间,可作为Mises解的替代。结论文中结果对于充分发挥材料性能,进而对薄圆环的设计、选材以及安全评估具有实际工程意义。     

重力式挡墙加固边坡的动力稳定性分析

确定边坡的潜在滑移面及地震屈服加速度,是进行边坡动力稳定性分析的基础。该文把重力式挡墙加固边坡的潜在滑移面看作是由若干段直线组合而成的复合滑移面,并用一系列的斜线把滑体土划分为若干个三角形块体。在假设边坡岩土体服从摩尔-库仑屈服准则,根据极限分析上限定理,结合多块体速度场理论,分别计算各块体外功率与内能耗散,建立地震作用下边坡地震屈服加速度的多元函数,利用数学优化方法,确定边坡地震屈服加速度及其潜在滑移面分布,由此提出一种重力式挡墙加固边坡动力稳定性计算的新方法。最后通过算例进行该方法的展示,分析土体抗剪强度参数和墙体两侧粗糙度对地震屈服加速度及其潜在滑移面分布的影响。     

空孔-裂纹偏置方式对PMMA冲击断裂动态行为的影响

为研究空孔-裂纹偏置方式对材料冲击断裂行为的影响,以有机玻璃(PMMA)为实验材料,采用动态焦散线实验方法开展了冲击加载的三点弯实验研究。结果表明:在冲击载荷作用下,空孔与预制裂纹相对偏置位置影响裂纹的起裂方向以及裂纹与空孔的贯通。预制裂纹偏置情况下,裂纹起裂时KdⅡ0,起裂方向指向空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是吸引,裂纹扩展路径呈抛物线型,并与空孔贯通,在空孔上端裂纹会再次起裂。空孔偏置条件下,裂纹起裂时KdⅡ 0,起裂方向背离空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是先排斥后吸引再排斥,裂纹扩展路径呈S型,裂纹未与空孔贯通。当运动裂纹与空孔贯通后,裂纹发生止裂,从时间尺度上延迟了试件的破坏,但当裂纹由空孔上边界处二次起裂后,裂纹扩展速度、动态应力强度因子均相应提高,进而会加剧试件的破坏。     

相互贯通裂纹动态断裂的试验研究

为了研究动荷载作用下裂纹角度对相互贯通裂纹动态断裂特性的影响,采用动焦散试验系统进行了含预制裂纹的三点弯冲击试验。试验结果表明:两分支裂纹相互贯通,在动荷载作用下翼裂纹只会从与竖直方向夹角较小的分支裂纹尖端起裂扩展,当有一支分支裂纹起裂后,另一分支裂纹动态应力强度因子快速下降,试件内应变能重新分布;起裂的翼裂纹首先沿准竖直方向扩展,当扩展到试件约2/3高度后,翼裂纹扩展速度下降,扩展轨迹弯曲程度加大,I-II复合型断裂明显;分支裂纹起裂瞬间的KdI和KdII随着该裂纹与竖直方向夹角θ的增加而增大,其扩展的平均速度随着夹角θ的增加而减小。