基于能量耗散碾压混凝土重力坝地震损伤分析

摘　要：采用塑性损伤力学对混凝土重力坝进行非线性动力分析,通过研究塑性损伤本构中滞回曲线的特点以及地震中重力坝裂缝发展特征和结构能量耗散机理,建立了包含能量特性的大坝整体损伤评价指标。通过分析发现强震作用下坝体上部的损伤是结构的主要损伤,地震中的能量以结构阻尼耗散能量为主,混凝土损伤和塑性耗散的能量所占比例不大,但与裂缝的发展有直接关系。提出的大坝整体损伤指标可以综合的反应结构的整体损伤程度,以此对结构进行抗震设计,可以提高结构的抗震性能。     

基于Najar能量法的混凝土分形损伤本构模型研究

混凝土损伤模型的研究,实质上是研究损伤变量对混凝土材料本构关系的影响。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤的发展,最终将产生宏观裂缝直至破坏。在混凝土损伤破坏过程中,"凹凸无序"的断裂面和"杂乱无章"的裂缝是对混凝土宏观力学性能离散化、非线性、随机性的最直接的体现和表征。基于断裂面和裂缝的分形特性,得到了分形应力、分形应变的基本概念,使之能更为准确地描述混凝土的宏观力学性能。通过Najar能量损伤理论,利用分形应力与表观应力、多重分形应变与表观应变之间的关系,推导得出了混凝土分形损伤本构模型,重新定义了Weibull概率分布的混凝土损伤扩展规律,得到了基于压缩变形分形特性的损伤演化方程。     

高温后高强混凝土受压动态损伤

对45个高强混凝土（HSC）棱柱体进行高温加热,温度分别为20℃、200℃、400℃、600℃和800℃。然后对棱柱体进行高温后轴向动态受压试验,应变率分别为10^-5 s^-1、10^-3 s^-1和0.067 s^-1。结果表明：随着经历温度的升高,HSC将会出现裂缝,细观结构变得松散;高温对HSC造成的损伤随温度的升高而增大,而应变率对高温后HSC的损伤没有明显影响;经历相同的高温损伤后,HSC的相对受压强度随应变率的增大而增大;轴向应变对高温后HSC造成的损伤在峰值应变前缓慢增大,达到峰值应变后迅速增大;温度越高,峰值应变对应的HSC损伤越小,而经历相同温度后不同应变率下峰值应变处HSC损伤的变化趋势并不明显。基于试验及理论分析,建立了HSC高温损伤以及高温损伤后相对受压强度的计算公式。     

箍筋约束混凝土单轴受压塑性损伤本构模型

基于所建立的素混凝土单轴塑性损伤模型,研究箍筋约束作用对混凝土单轴受压作用下损伤行为的影响,引入损伤约束因子来综合体现在约束作用下不同物理量对材料损伤演化规律的影响,将单轴受压混凝土的塑性段分成塑性第一阶段和塑性第二阶段,确定了方形箍筋和圆形箍筋约束下混凝土的损伤演化方程,并给出相应的塑性变形关系的经验公式,建立了箍筋约束混凝土的单轴受压塑性损伤本构模型。通过与单轴荷载作用下约束混凝土的试验结果对比分析,验证了所建模型的有效性,结果表明所建模型能较好反映混凝土材料在约束作用下的本构关系。     

基于纤维解离水曲柳压缩解离特征与能量耗散机制研究

目的 以水曲柳为研究对象,研究高应变率压缩载荷作用下水曲柳试件的解离特征和能量耗散机制。方法 利用压缩加载试验分析应变率、加载方向对受载水曲柳的形态特征影响和动力学特性,并利用弹塑性基本原理分析其受压解离的能量耗散机制。结果 解离后径向加载试件主要呈火柴棍状,弦向加载试件主要呈片状,轴向加载试件主要呈不规则块状,试件的解离程度随应变率的增大而增大;当应变率在400~1 000 s⁻¹时,水曲柳试件的应力-应变曲线由弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段两部分组成;水曲柳试件的屈服强度随应变率的增大而增大,当应变率从400 s⁻¹增加到1 000 s⁻¹时,径向、弦向和轴向加载试件的屈服强度分别增加了0.45倍、1.34倍和0.71倍;木材原料沿径、弦向解离时主要依靠木材细胞的压缩变形来耗散能量,沿轴向解离时主要依靠木材细胞纵向结构的弯曲来耗散能量。结论 弦向最易解离,轴向最难解离;水曲柳是一种应变率敏感材料;木材原料径、弦向解离主要依靠压缩变形来耗散能量,轴向解离主要依靠弯曲变形来耗散能量,木材原料解离能够耗散能量的多少主要受加载方向、木材细胞的结构尺寸和力学性能的影响。     

基于能量的弹塑性损伤实用本构模型

建立一个实用的弹塑性损伤本构模型。在有效应力空间采用经验公式计算塑性变形,能将模型塑性部分与损伤部分解耦,降低模型的数值处理复杂性,同时大大简化模型塑性应变的计算。结合不可逆热力学理论,基于损伤能量释放率建立损伤准则,损伤能量释放率由修正后的弹性Helmholtz自由能导出,模型中将弹性Helmholtz自由能分解为应力球量部分和应力偏量部分,将其应力球量部分产生的损伤取为零,同时根据应力状态引入折减系数对其应力偏量部分进行修正,使得模型能较为准确的模拟混凝土材料在双轴加载下的本构行为。将应力张量谱分解为正、负两部分以分别定义材料受拉、受压损伤演化,并采用受拉损伤变量、受压损伤变量分别模拟混凝土材料在拉、压加载下的本构特性。引入一个加权损伤变量使得模型能较准确的反映混凝土材料的“拉-压软化效应”。最后该文给出初步试验验证,证明了该文模型的有效性。     

基于变形和能量的双参数损伤模型

为了弥补既有Park-Ang双参数损伤模型计算工作量大,不便于实际应用,且易产生较大累积误差等方面不足,针对RC框架结构,基于构件位移损伤和耗能损伤关系,提出了一种基于层的半解析半数值双参数损伤模型,并通过与Park-Ang模型计算得到的层间损伤模式对比,验证了所提出模型的有效性。同时,得出以下结论:构件损伤由位移损伤和耗能损伤两部分组成,其中位移损伤起主要作用,且针对各层梁或柱,二者之间有较好的线性关系;RC框架梁、柱层间损伤模式与结构累积塑性变形能分配系数沿楼层的分布趋势相同。     

Iwan模型非线性恢复力及能量耗散计算研究

广泛应用于装配结构中的螺栓连接会对整个结构的动力响应产生显著的影响,可见,研究这类连接部位的动力学行为具有重要的意义。该文对描述此类连接形式的动力学行为的Iwan模型进行了深入的研究。首先推导了当构成模型的Jenkins单元的屈服力满足均匀分布的情况下,Iwan模型分别处于局部滑移和整体滑移运动时的描述模型恢复力的分段非线性函数,并对其进行了归一化处理;接着在其基础上,推导了在这两类滑移运动中,模型周期能量耗散的归一化计算公式;最后还进一步对修正Iwan模型进行了研究。研究成果为研究装配结构的结构阻尼和非线性动力学行为奠定了基础。     

单轴压缩下混凝土的能量储存和耗散规律研究

混凝土作为最为常见的工程材料之一,准确了解其在单轴压缩状态下的能量存储和耗散规律至关重要。通过对同批次的C30混凝土0.1,03,0.5,0.7和0.9倍峰值强度5个不同卸载水平的单轴压缩加卸载试验,得到混凝土在不同卸载水平下卸载点的总能、弹性能和耗散能以及这3种能量之间的关系。试验结果显示：在单轴压缩下C30混凝土的总能>弹性能>耗散能,且总能、弹性能和耗散能与加载水平呈二次函数关系,耗散能与弹性能呈二次函数关系;卸载点的弹性能与总能呈线性关系,耗散能与总能呈二次函数关系。试验结果也可以用于预测混凝土峰值时的弹性能与耗散能。     

砼受压损伤力学本构模型的研究

本文利用ＭＴＳ公司８１５．０２型电液伺服试验系统对砼进行了等应变速率加载控制的应力一应变全曲线试验，应用不可逆热力学和内变量理论的成果建立了砼损伤力学模型，并用概率统计的观点分析了损伤的演化规律。由于考虑了不可逆变形的影响，本文所建本构模型与实验吻合较好。     

反复低速冲击下短纤维复合材料的能量耗散与损伤演变

运用热力学理论和最小耗能原理,研究了反复低速冲击下短纤维复合材料的能量耗散与损伤演变,给出了冲击循环下材料耗散能表达式,建立了与复合材料割线模量降低率相关的损伤变量表达式和损伤演变方程。同时,以试验数据为基础,利用导出的损伤变量表达式,绘制出了反复低速冲击下短纤维复合材料的损伤演变曲线,并对曲线趋势进行了分析。     

水工混凝土的损伤模型

本文在混凝土断裂、损伤试验的基础上，提出了一个反映水工混凝土断裂、损伤破坏机理的损伤模型。这个模型在损伤力学有限元分析中具有良好的实用性。     

风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究

压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片,本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制,提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法,并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应;再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型,分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式,揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明：提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果;压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间,提高大幅锁频振动临界风速,延长气弹失稳的能量积累时间;压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移,削弱了负阻尼模态的能量集聚,增强了正阻尼模态的能量耗散。     

颗粒流理论在建立NOPD能量耗散模型中的应用

为了研究颗粒进入对流状态时非阻塞性颗粒阻尼(NOPD)的能量耗散机理,引入颗粒流理论建立NOPD能量耗散的解析模型。借助离散单元法(DEM)初步研究了阻尼器内部颗粒的对流运动,引入普朗特混合长度理论对稠密颗粒流本构关系进行修正;借鉴振荡流理论最终得到NOPD的能量耗散解析模型。研究结果得到NOPD能量耗散率随颗粒参数变化的一般规律。在此基础上,搭建NOPD能量耗散功率测试实验台,对NOPD的能量耗散功率进行测试,验证了上述模型的正确性。研究结果进一步揭示了颗粒处于对流状态时NOPD能量耗散机理,为NOPD的应用提供了理论指导。     

一种基于残余应变的混凝土疲劳损伤模型

介绍了混凝土在承受疲劳荷载时内部微裂纹的扩展规律,根据疲劳损伤变形的3阶段特征,可知混凝土内部微裂纹的扩展是导致其疲劳损伤的本质原因,提出了残余应变可作为建立疲劳损伤模型的基础。研究并介绍了混凝土疲劳损伤破坏时峰值应变εunstab的确定、等幅或变幅荷载作用下残余应变ε残和总应变ε总的计算理论。根据疲劳等效累积原则和混凝土疲劳残余应变的计算理论,推导出混凝土在疲劳荷载作用下基于残余应变的疲劳损伤模型,并提出了建立混凝土疲劳损伤模型需要进一步研究的重点和难点。     

基于Griffith破坏准则的FRP约束未损伤混凝土和损伤混凝土的抗压强度统一模型

纤维增强聚合物复合材料(FRP)约束混凝土的抗压强度是进行FRP加固混凝结构设计的重要参数。现有的FRP约束混凝土柱抗压强度模型大部分采用试验数据回归分析获得,只有极少数模型基于理论推导建立,因此有必要对基于理论推导建立的抗压强度模型进行扩展。本文通过对现有的FRP约束混凝土柱的抗压强度模型进行归纳和总结,并采用已发表文献的大量试验数据对其进行评估。然后基于Griffith破坏准则,提出一个可以同时预测FRP约束未损伤混凝土和损伤混凝土抗压强度统一模型并进行评估。评估结果表明,新建立的抗压强度模型可以较准确地预测FRP约束未损伤混凝土和损伤混凝土的抗压强度。      

层状复合结构的应力波传播规律及能量耗散机制研究

为研究层状复合结构的应力波特性和能量耗散机制,设计了碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/钛合金(SiC/UHMWPE/TC4)和SiC/TC4/UHMWPE两种复合结构,并进行了SHPB(split-Hopkinson pressure bar)试验和数值模拟。基于金属丝缠绕材料(entangled metallic wire material, EMWM)出色的能量耗散性能,设计了SiC/UHMWPE/EMWM/TC4和SiC/TC4/EMWM/UHMWPE复合结构,并进行了SHPB试验。结果表明,复合结构中的EMWM对应力波的透射传播具有延迟和阻碍效应。EMWM复合结构主要通过反射大部分入射能量来耗散冲击能量,相比于其他复合结构主要通过SiC的破坏来耗散冲击能量相比,EMWM复合结构的能量耗散机制更合理,抗冲击性能更好。UHMWPE置于SiC的背部可以充分发挥UHMWPE和EMWM的缓冲性能,减小SiC的损伤。而TC4置于SiC的背部会加剧SiC的损伤。     

灌孔混凝土砌块砌体受压力学模型及其弹性模量

灌孔混凝土砌块砌体是由砌体和灌孔混凝土两部分组合而成,为了得到竖向压力作用下两种材料的相互作用机理,该文基于最小势能原理推导了砌体对灌孔混凝土的套箍系数以及灌孔混凝土砌块砌体内的应力分布,得到了灌孔混凝土砌块砌体的弹性模量可近似按材料力学组合截面公式进行计算,其计算结果与收集的全国65组281个试件试验结果符合良好,并通过试验结果统计得到了灌孔混凝土砌块砌体弹性模量的建议公式。理论分析和试验结果表明,我国现行规范中灌孔混凝土砌块砌体弹性模量取值偏低,将使配筋砌块砌体结构的设计计算结果偏于不安全。     

冲击荷载作用下混杂纤维混凝土能量耗散与破碎分形研究

为了研究聚丙烯纤维含量和长径比对混凝土劈裂强度以及分形维数的影响,首先通过在含钢混凝土中添加不同含量和长径比的聚丙烯纤维制作混杂纤维混凝土试样,再利用分离式霍普金森压杆对试样进行高应变率动态劈裂力学试验。实验以相同冲击气压(0.2 MPa)对直径65 mm,高35 mm的10组试件进行测试。研究结果表明：聚丙烯纤维体积掺量为0.05%、0.1%时,长径比在3 000～9 000区间,混杂纤维混凝土的动态劈裂强度与能耗随掺量和长径比的增加有明显上升;在掺量为0.15%时,混杂纤维混凝土的动态劈裂强度与能耗均有所降低。各实验组中混杂纤维混凝土的分形维数均在2.3～2.6之间且小于普通混凝土,说明混杂纤维的添加可使混凝土的韧性、阻裂性能提升。     

基于小波包能量与模型修正的海洋平台结构损伤识别

对于常年服役的海洋平台,准确的损伤识别是保证其安全运行的重要保障。提出了一种对损伤敏感的小波包分解方案选取原则,以结构损伤前后加速度信号的小波包能量变化率作为残差,以结构的弹性模量作为待修正参数,通过灵敏度分析构建了一种新的目标函数用于模型修正和结构的损伤识别。将上述识别方法应用于简支梁模型,能够准确地识别出损伤的存在、位置和程度,验证了方法的可行性。对被噪声污染的信号进行识别分析,证明方法具有一定的鲁棒性。对噪声污染严重的信号进行小波阈值降噪处理,识别效果较降噪前有所改善。将方法应用于海洋导管架平台模型,对不同层高、不同杆件类型的损伤工况均能有效识别,说明方法对多层复杂结构同样适用。