基於能量耗散機制的混凝土結構失效機理研究

《基於能量耗散機制的混凝土結構失效機理研究》是依託重慶大學，由龍渝川擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於能量耗散機制的混凝土結構失效機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：龍渝川
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

混凝土結構損傷失效機理是結構工程領域亟待解決的關鍵科學問題之一。項目擬從能量耗散觀點分析混凝土結構的失效機理，綜合套用試驗方法與仿真技術，進行損傷規律試驗研究、塑性-損傷模型開發和結構仿真分析三項研究工作。首先，開展混凝土試驗測量應力-應變曲線，探索基於能量耗散機制並反映多軸應力狀態影響的損傷演化規律。然後，開發模擬滯回行為的塑性-損傷模型，分析格線尺寸對損傷因子定義的影響，探尋不依賴格線尺寸的損傷評價指標，研究基於特徵循環的高周疲勞加速算法，建立低周、高周疲勞通用本構模型。最後，套用用戶自定義子程式在ABAQUS程式嵌入塑性-損傷模型，並結合嵌入式鋼筋有限元方法，構建鋼筋混凝土仿真分析程式。運用子模型理論，探討複雜混凝土結構損傷失效機理的快速分析方法，為完善混凝土結構設計理論提供有益的建議。

結題摘要

混凝土結構損傷失效機理是結構工程領域極為關注的關鍵科學問題之一。項目開展了損傷演化規律試驗研究、塑性-損傷模型構建和鋼筋混凝土仿真程式開發三部分研究。（1）通過混凝土載入試驗，測量了應力-應變曲線，獲得了混凝土斷裂能以及各次循環的累積耗散能密度、剛度模量、殘餘應變以及卸載終點剛度等物理量。基於損傷變數、耗散能量比、有效應力、塑性應變等物理量，提出了基於有效應力空間描述的損傷演變與塑性流動法則，建立了損傷演化規律的數學表述。（2）建立了考慮格線尺寸影響的混凝土塑性-損傷耦合模型。包括：提出了高效穩定的有效應力與塑性應變疊代算法，保證了計算的求解精度和魯棒性；基於Bazant鈍斷裂帶理論，提出了不依賴於格線尺寸的損傷評價指標，解決了結構回響和損傷指標的格線尺寸敏感性問題；創新了滯回行為的模擬方法，構造了非線性應力路徑上損傷因子的高效疊代算法。採用項目提出的損傷因子等效方法，仿真計算獲得的荷載-撓度回響與試驗結果吻合程度高，並且不同格線尺寸得到的加卸載曲線相互接近，解決了格線敏感性問題。採用等效損傷因子評估模擬切口梁試驗，不同離散格線獲得了相近的損傷狀態評估，表明等效損傷因子可以作為評價混凝土結構損傷狀態的指標。（3）綜合混凝土塑性-損傷模型和鋼材的隨動強化本構模型，開發了鋼筋混凝土、鋼管約束混凝土結構的仿真分析程式。通過模擬鋼管混凝土構件實踐，計算得到的構件回響與試驗結果吻合良好；採用子模型理論建立了分析複雜混凝土結構損傷機理的研究方法，有效模擬了強震作用下帶加強層框架-核心筒結構的非線性損傷過程。項目的研究成果能夠更精準地模擬混凝土的損傷破壞行為，解決了仿真分析中格線尺寸導致的敏感性問題，並成功套用於分析複雜混凝土結構的地震彈塑性分析。因此，研究成果可為複雜混凝土結構非線性損傷機理研究提供有效的數值計算方法。