考慮材料損傷演化的結(jié)構(gòu)失效過(guò)程與抗震性能分析.pdf

1、重大工程結(jié)構(gòu)在其服役期內(nèi)不可避免地會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)局部劣化和損傷。并且有很大可能受到各種強(qiáng)載荷作用，這些結(jié)構(gòu)損傷和局部劣化在強(qiáng)載荷作用下的演化導(dǎo)致局部失效的過(guò)程會(huì)使結(jié)構(gòu)抗力衰減，繼而引起不同形態(tài)的結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)構(gòu)失效從其本質(zhì)分析，每種破壞形態(tài)都始自材料損傷，且均是在損傷發(fā)展到一定限值后發(fā)生的。因此，在結(jié)構(gòu)抗震性能分析過(guò)程中考慮材料損傷演化及其對(duì)結(jié)構(gòu)局部失效和破壞影響顯然更符合結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下發(fā)生失效的實(shí)際情況，發(fā)展這樣的分析方法有著非常重要

2、的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用前景。本文從地震載荷的特性及強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)損傷和破壞機(jī)理出發(fā)，遴選了對(duì)地震載荷下鋼結(jié)構(gòu)損傷失效過(guò)程描述最為合理的鋼材料延性損傷本構(gòu)模型，研制了將損傷演化方程和損傷材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系引入大型有限元軟件ABAQUS中的補(bǔ)充軟件，建立并實(shí)現(xiàn)了考慮材料損傷演化過(guò)程的強(qiáng)動(dòng)載荷下的結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)與失效過(guò)程分析方法，分析了材料損傷演化對(duì)結(jié)構(gòu)局部失效和主要抗震性能指標(biāo)的影響。本文完成的研究工作和主要成果有：
　　 1.

3、在調(diào)研材料損傷及損傷本構(gòu)關(guān)系研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，考慮地震載荷下鋼材損傷失效機(jī)理和損傷材料的應(yīng)力應(yīng)變特性，選擇基于連續(xù)損傷力學(xué)的鋼材損傷演化過(guò)程描述方法，明確了適合于描述地震載荷下鋼結(jié)構(gòu)損傷失效過(guò)程的合理的鋼材料延性損傷本構(gòu)模型。研究發(fā)現(xiàn)適用于描述金屬材料延性損傷的Lemaitre模型表達(dá)簡(jiǎn)潔，參數(shù)易于確定，損傷變量參數(shù)測(cè)量便利，已被試驗(yàn)驗(yàn)證具有比較高的計(jì)算精度，可以滿足鋼結(jié)構(gòu)在抗震性能分析過(guò)程中考慮材料損傷演化的分析要求。并根據(jù)計(jì)算分析的

4、需要，綜合塑性力學(xué)和損傷力學(xué)理論框架，將微分形式的Lemaitre應(yīng)變-損傷耦合本構(gòu)方程和損傷演化動(dòng)力律改為增量表達(dá)形式，以符合程序?qū)崿F(xiàn)要求和分析調(diào)用條件。
　　 2.根據(jù)強(qiáng)動(dòng)載下結(jié)構(gòu)非線性損傷分析的需要，選擇非線性有限元分析軟件ABAQUS作為本文計(jì)算平臺(tái)。為引入分析所需的損傷演化方程和損傷材料的本構(gòu)方程，在ABAQUS的用戶子程序接口UMAT框架下編寫(xiě)代碼，定義了材料塑性和損傷的門(mén)檻值及演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力更新算法，求解了一

5、致切線模量，從而建立了考慮材料損傷演化的強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)失效過(guò)程和抗震性能分析方法。
　　 3.應(yīng)用考慮材料損傷演化的強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)失效過(guò)程和抗震性能分析方法，首先計(jì)算分析了構(gòu)件在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的損傷失效過(guò)程及其對(duì)構(gòu)件抗震性能的影響。以鋼框架抗震結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)形式之一的狗骨式剛節(jié)點(diǎn)構(gòu)件為例，分析了結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)動(dòng)載荷下節(jié)點(diǎn)域的損傷分布和涫化特性，通過(guò)對(duì)比考慮損傷和不考慮損傷的計(jì)算結(jié)果，總結(jié)了材料損傷演化過(guò)程對(duì)狗骨式剛

6、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件在低周反復(fù)載荷下的動(dòng)應(yīng)力分布和抗震性能的影響，說(shuō)明了在結(jié)構(gòu)抗震性能分析中考慮材料損傷演化過(guò)程的必要性。研究結(jié)果表明，應(yīng)用完備形式Lemaitre損傷演化方程和應(yīng)變-損傷耦合本構(gòu)方程可以描述材料強(qiáng)化特性對(duì)損傷演化規(guī)律的影響，量化材料剛度退化引起的承載面積下降和單位面積承載力降低，有效描述在低周反復(fù)載荷下材料損傷演化過(guò)程造成的構(gòu)件關(guān)鍵位置處有效應(yīng)力增大和承載能力降低；在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行局部抗震性能分析時(shí)，可以用構(gòu)件關(guān)鍵位置處的損傷材料累積

7、塑性應(yīng)變分布區(qū)域和極值大小來(lái)衡量構(gòu)件局部位置處的破壞程度；用構(gòu)件關(guān)鍵位置處的有效應(yīng)力場(chǎng)來(lái)表現(xiàn)構(gòu)件關(guān)鍵位置處的承載狀態(tài)。在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行整體抗震性能分析時(shí)，則可以用構(gòu)件的相對(duì)載荷-位移曲線面積來(lái)描述構(gòu)件耗能能力的不斷降低。
　　 4.在構(gòu)件分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)而研究了大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)中的典型加勁桁架結(jié)構(gòu)的損傷與抗震性能。建立了結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型，用該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與靜應(yīng)變分布測(cè)試結(jié)果論證了模型的正確性。應(yīng)用模型分析了強(qiáng)動(dòng)態(tài)載荷作用

8、下鋼桁架結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力分布和損傷演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，不同幅值循環(huán)動(dòng)載荷和低周反復(fù)載荷工況下，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)和損傷區(qū)分布位置大體相同，但其尺寸大小和對(duì)整體分析結(jié)果的影響程度有所差別：高幅值低周期數(shù)循環(huán)載荷下，材料劣化區(qū)域大，局部位置材料損傷對(duì)結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果影響較大；低幅值高周期數(shù)循環(huán)載荷下，損傷分布集中，更容易發(fā)生局部位置處的破壞和斷裂，但局部破壞發(fā)生之前，材料損傷對(duì)結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果影響很??；可以將局部損傷區(qū)域的累積塑性應(yīng)變值作為指標(biāo)，

9、討論結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)載荷下的局部抗震性能。
　　 本文研究建立的考慮材料損傷演化的強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)失效過(guò)程和抗震性能分析方法，有助于更準(zhǔn)確地描述強(qiáng)動(dòng)載荷作用下結(jié)構(gòu)中由于材料損傷演化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)和局部失效的過(guò)程，更好地解釋了強(qiáng)動(dòng)載荷下發(fā)生的從材料損傷到構(gòu)件節(jié)點(diǎn)失效再到結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理。這一分析方法可適用于非瞬時(shí)破壞的地震載荷作用下的結(jié)構(gòu)損傷與局部失效狀態(tài)的分析與評(píng)估，對(duì)于更加準(zhǔn)確地分析構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)從而發(fā)展新的結(jié)