發(fā)布時(shí)間：2020-05-31 16:43

【摘要】：土木工程結(jié)構(gòu)的損傷演化過程跨越多個(gè)時(shí)空尺度。在土木工程結(jié)構(gòu)中,材料內(nèi)部微、細(xì)觀缺陷與宏觀結(jié)構(gòu)在空間尺度上存在顯著差異,并且不同尺度上以及不同荷載所造成的損傷演化速率也大有不同,這使得傳統(tǒng)單一尺度上的損傷分析難以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部微、細(xì)觀損傷演化規(guī)律與結(jié)構(gòu)整體劣化之間的聯(lián)系,也無法合理有效的分析不同損傷演化速率下的損傷演化過程,給結(jié)構(gòu)損傷分析和全壽命安全評(píng)估帶來隱患。為了滿足工程結(jié)構(gòu)安全性分析的需要和研究土木工程結(jié)構(gòu)時(shí)空多尺度的損傷機(jī)理,本文致力于建立工程結(jié)構(gòu)損傷多尺度演化致結(jié)構(gòu)失效過程的計(jì)算方法。論文的主要研究工作和成果如下:在連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)基礎(chǔ)上,建立了能夠描述損傷演化導(dǎo)致的材料偽軟化現(xiàn)象的本構(gòu)方程,并通過材料性能實(shí)驗(yàn)反演了工程用鋼的損傷參數(shù);基于ABAQUS的二次開發(fā)接口編寫了描述鋼材偽軟化行為的用戶材料子程序,并通過與解析解對(duì)比驗(yàn)證了子程序的正確性和有效性。對(duì)兩種鋼梁柱節(jié)點(diǎn)和含有梁柱節(jié)點(diǎn)的二層鋼框架在擬地震反復(fù)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析,研究了鋼結(jié)構(gòu)局部材料細(xì)觀損傷演化過程,探索了損傷演化導(dǎo)致的材料偽軟化行為與鋼梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能劣化之間的關(guān)系,并基于二層鋼框架的空間多尺度模型分析了鋼材偽軟化行為與鋼框架抗震性能劣化的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明,材料子程序是正確且能有效描述損傷演化致材料偽軟化現(xiàn)象;考慮損傷偽軟化得到的仿真結(jié)果更符合工程實(shí)際,在工程結(jié)構(gòu)損傷失效過程分析中應(yīng)當(dāng)考慮材料的偽軟化行為;材料的偽軟化行為對(duì)鋼構(gòu)件的抗震性能有影響,其中剛度退化系數(shù)、強(qiáng)度退化系數(shù)受到影響大,而粘滯阻尼系數(shù)受到影響較小;在擬地震荷載加載初期,材料的偽軟化行為對(duì)鋼框架的抗震性能沒有影響,可以忽略;在鋼框架破壞前,偽軟化區(qū)域會(huì)急劇擴(kuò)展,鋼框架整體抗震性能有明顯的降低。相比構(gòu)件層次,鋼框架的性能參數(shù)劣化更加突然、迅速。鋼構(gòu)件和鋼框架的骨架曲線非線性階段均可以劃分為強(qiáng)化和軟化兩個(gè)階段。材料偽軟化區(qū)域面積的增加,與構(gòu)件和框架性能的劣化與失效相關(guān)。論文基于非重疊型區(qū)域分解算法,建立了適用于工程結(jié)構(gòu)多尺度損傷分析的串行子結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算方法。算法將工程問題分解成若干子結(jié)構(gòu)問題,有效降低工程結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算規(guī)模。在調(diào)研商業(yè)軟件ABAQUS的多種開發(fā)接口的基礎(chǔ)上,提出了兩種可行的實(shí)施方法,考慮程序調(diào)試方便性和可移植性,選擇通過ABAQUS二次開發(fā)接口編寫Python程序來具體實(shí)施�；诜侵丿B性區(qū)域分解方法中的D-N計(jì)算方法,建立了含缺陷桁架梁的宏觀-細(xì)觀多尺度模型,對(duì)含缺陷桁架梁在荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行分析,驗(yàn)證所建立算法的可行性。通過大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析了松弛因子,計(jì)算精度,網(wǎng)格尺寸之比,初始嘗試位移等參數(shù)對(duì)算法收斂特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在計(jì)算收斂的情況下,應(yīng)增大松弛因子以提高計(jì)算效率;選擇合適的初始位移矩陣也能有效提高計(jì)算效率。計(jì)算中在宏細(xì)觀模型交界面上不可避免的引入了簡(jiǎn)化的邊界方程,會(huì)導(dǎo)致宏細(xì)觀模型在交界面上應(yīng)力不連續(xù)。串行子結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算方法是按順序依次計(jì)算各細(xì)觀子結(jié)構(gòu)、宏觀子結(jié)構(gòu),可以將算法改進(jìn)使其具有更高的并行性�；谥丿B型區(qū)域分解算法,建立了適用于工程結(jié)構(gòu)跨尺度損傷分析的并行子結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算方法,并通過大型商業(yè)軟件ABAQUS的二次開發(fā)接口編寫Python程序以實(shí)現(xiàn)該算法。建立“L”型混凝土構(gòu)件的含多個(gè)子結(jié)構(gòu)的多尺度模型,并對(duì)其在荷載作用下的損傷特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明,并行子結(jié)構(gòu)非線性算法能夠用來求解具有強(qiáng)非線性的結(jié)構(gòu)損傷失效問題。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究了并行子結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算中多個(gè)參數(shù)對(duì)收斂速度和精度的影響,如果對(duì)計(jì)算精度不是特別苛刻,應(yīng)當(dāng)在算法允許的范圍內(nèi)將松弛因子取大值,可以有效提高計(jì)算效率。這些計(jì)算結(jié)果為并行子結(jié)構(gòu)非線性算法應(yīng)用于工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。提出了疲勞損傷時(shí)間多尺度演化過程問題的求解策略,并通過編寫Python腳本程序和用戶子程序建立了時(shí)間多尺度損傷演化過程的實(shí)施算法。提出適用于高周疲勞損傷累積過程分析的步長自適應(yīng)算法,以青馬大橋的熱點(diǎn)部位為分析對(duì)象,基于兩類疲勞準(zhǔn)則,分析了其在高周疲勞荷載作用下的損傷狀態(tài)。結(jié)果表明,線性Miner準(zhǔn)則預(yù)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)壽命偏保守,當(dāng)使用非線性損傷演化準(zhǔn)則預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)壽命時(shí),自適應(yīng)算法能有效提高計(jì)算效率。將時(shí)間多尺度方法應(yīng)用于高低周疲勞損傷累積過程分析,建立既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的空間多尺度模型,并使用兩類疲勞準(zhǔn)則計(jì)算既有工業(yè)建筑在常規(guī)服役荷載和突發(fā)地震荷載共同作用下的損傷狀態(tài)和殘余壽命。計(jì)算結(jié)果表明,在服役過程中吊車梁變截面處B點(diǎn)易出現(xiàn)宏觀裂紋;高周疲勞荷載會(huì)使得結(jié)構(gòu)的損傷集中于某處,地震作用會(huì)增加結(jié)構(gòu)易損部位的損傷值,降低結(jié)構(gòu)壽命。計(jì)算結(jié)果側(cè)面驗(yàn)證了時(shí)間多尺度求解策略的可行性。
【圖文】：

因此耦合塑性損傷理論可以描述鋼材的偽軟化現(xiàn)象。圖 2.2 單向反復(fù)拉壓荷載作用下名義應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖2.2 本構(gòu)方程中的參數(shù)反演為了能夠準(zhǔn)確的分析計(jì)算工程結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的響應(yīng)，首先應(yīng)該對(duì)損傷本構(gòu)方程中的材料參數(shù)進(jìn)行反演。選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以反演參數(shù)，試件中間有一個(gè)削弱面，因此單向拉伸反復(fù)荷載作用下削弱局部會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形和應(yīng)力集中并最終在削弱面附近破壞，實(shí)驗(yàn)得到的最終位移荷載曲線如圖 2.3 所示。表 2.1 Q235 力學(xué)性能和損傷演化參數(shù)E0 y0h HkpDS0Dcr215GPa 0.31 245MPa 0.17 1.25GPa 0.01 0.281MPa 0.8從圖 2.3 可以看出整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行了九次卸載，對(duì)數(shù)據(jù)處理可以得到卸載過程中彈性模量，通過式（2.6）就可以計(jì)算得到每一次卸載時(shí)的損傷值。在標(biāo)準(zhǔn)試件的削弱處前后分別粘貼一個(gè)大變形應(yīng)變計(jì)，以此來獲取削弱面在加載過程中的應(yīng)變值，需要注意的是應(yīng)變片本身是有一定的大小，測(cè)試得到的應(yīng)變實(shí)際是應(yīng)變片所粘貼區(qū)域應(yīng)變的平均值，考慮到應(yīng)變片本身較小，，將其作為削弱處應(yīng)變；利用已經(jīng)得到的九個(gè)卸載點(diǎn)的塑性

的方法所得到的代碼對(duì)所計(jì)算的算例針對(duì)性很強(qiáng)，很差。相比而言，通過 ABAQUS 腳本的代碼具有甚至模塊都可以直接被應(yīng)用到其他結(jié)構(gòu)計(jì)算當(dāng)中去n 腳本程序來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)串行子結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算方法。構(gòu)件多尺度損傷演化過程分析行子結(jié)構(gòu)非線性算法的計(jì)算框架，在調(diào)研商業(yè)軟件行的實(shí)施辦法。接下來將使用串行子結(jié)構(gòu)非線性算演化分析，驗(yàn)證所建立算法的有效性。并通過一系。, 36, 38, 41]曾對(duì)青馬大橋和青馬大橋中的典型桁架縮尺結(jié)構(gòu)形狀分別如圖 3.3 所示。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU317

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2690161