考慮材料損傷演化的結構失效過程與抗震性能分析.pdf

1、重大工程結構在其服役期內不可避免地會發(fā)生結構局部劣化和損傷。并且有很大可能受到各種強載荷作用，這些結構損傷和局部劣化在強載荷作用下的演化導致局部失效的過程會使結構抗力衰減，繼而引起不同形態(tài)的結構破壞。結構失效從其本質分析，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，在結構抗震性能分析過程中考慮材料損傷演化及其對結構局部失效和破壞影響顯然更符合結構在地震載荷作用下發(fā)生失效的實際情況，發(fā)展這樣的分析方法有著非常重要

2、的學術意義和工程應用前景。本文從地震載荷的特性及強動載荷作用下的結構損傷和破壞機理出發(fā)，遴選了對地震載荷下鋼結構損傷失效過程描述最為合理的鋼材料延性損傷本構模型，研制了將損傷演化方程和損傷材料的應力應變關系引入大型有限元軟件ABAQUS中的補充軟件，建立并實現(xiàn)了考慮材料損傷演化過程的強動載荷下的結構非線性響應與失效過程分析方法，分析了材料損傷演化對結構局部失效和主要抗震性能指標的影響。本文完成的研究工作和主要成果有：
　　 1.

3、在調研材料損傷及損傷本構關系研究現(xiàn)狀的基礎上，考慮地震載荷下鋼材損傷失效機理和損傷材料的應力應變特性，選擇基于連續(xù)損傷力學的鋼材損傷演化過程描述方法，明確了適合于描述地震載荷下鋼結構損傷失效過程的合理的鋼材料延性損傷本構模型。研究發(fā)現(xiàn)適用于描述金屬材料延性損傷的Lemaitre模型表達簡潔，參數易于確定，損傷變量參數測量便利，已被試驗驗證具有比較高的計算精度，可以滿足鋼結構在抗震性能分析過程中考慮材料損傷演化的分析要求。并根據計算分析的

4、需要，綜合塑性力學和損傷力學理論框架，將微分形式的Lemaitre應變-損傷耦合本構方程和損傷演化動力律改為增量表達形式，以符合程序實現(xiàn)要求和分析調用條件。
　　 2.根據強動載下結構非線性損傷分析的需要，選擇非線性有限元分析軟件ABAQUS作為本文計算平臺。為引入分析所需的損傷演化方程和損傷材料的本構方程，在ABAQUS的用戶子程序接口UMAT框架下編寫代碼，定義了材料塑性和損傷的門檻值及演化規(guī)律，實現(xiàn)了應力更新算法，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動載荷作用下的結構失效過程和抗震性能分析方法。
　　 3.應用考慮材料損傷演化的強動載荷作用下的結構失效過程和抗震性能分析方法，首先計算分析了構件在強動載荷作用下的損傷失效過程及其對構件抗震性能的影響。以鋼框架抗震結構的主要節(jié)點形式之一的狗骨式剛節(jié)點構件為例，分析了結構抗震性能試驗動載荷下節(jié)點域的損傷分布和涫化特性，通過對比考慮損傷和不考慮損傷的計算結果，總結了材料損傷演化過程對狗骨式剛

6、節(jié)點構件在低周反復載荷下的動應力分布和抗震性能的影響，說明了在結構抗震性能分析中考慮材料損傷演化過程的必要性。研究結果表明，應用完備形式Lemaitre損傷演化方程和應變-損傷耦合本構方程可以描述材料強化特性對損傷演化規(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載荷下材料損傷演化過程造成的構件關鍵位置處有效應力增大和承載能力降低；在對構件進行局部抗震性能分析時，可以用構件關鍵位置處的損傷材料累積

7、塑性應變分布區(qū)域和極值大小來衡量構件局部位置處的破壞程度；用構件關鍵位置處的有效應力場來表現(xiàn)構件關鍵位置處的承載狀態(tài)。在對構件進行整體抗震性能分析時，則可以用構件的相對載荷-位移曲線面積來描述構件耗能能力的不斷降低。
　　 4.在構件分析的基礎上，進而研究了大跨橋梁鋼箱梁結構中的典型加勁桁架結構的損傷與抗震性能。建立了結構的三維實體有限元模型，用該結構的動態(tài)特性與靜應變分布測試結果論證了模型的正確性。應用模型分析了強動態(tài)載荷作用

8、下鋼桁架結構的有效應力分布和損傷演化規(guī)律。研究結果表明，不同幅值循環(huán)動載荷和低周反復載荷工況下，結構塑性區(qū)和損傷區(qū)分布位置大體相同，但其尺寸大小和對整體分析結果的影響程度有所差別：高幅值低周期數循環(huán)載荷下，材料劣化區(qū)域大，局部位置材料損傷對結構整體分析結果影響較大；低幅值高周期數循環(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，材料損傷對結構整體分析結果影響很小；可以將局部損傷區(qū)域的累積塑性應變值作為指標，

9、討論結構在低周反復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動載荷作用下的結構失效過程和抗震性能分析方法，有助于更準確地描述強動載荷作用下結構中由于材料損傷演化導致的結構非線性響應和局部失效的過程，更好地解釋了強動載荷下發(fā)生的從材料損傷到構件節(jié)點失效再到結構破壞的機理。這一分析方法可適用于非瞬時破壞的地震載荷作用下的結構損傷與局部失效狀態(tài)的分析與評估，對于更加準確地分析構件或結構的抗震性能指標從而發(fā)展新的結