钢筋混凝土结构损伤及其数值模拟方法

来源 :同济大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lucien001
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作为一种新兴的研究方法,损伤理论已经被广泛的应用于材料的力学特性退化和损伤行为研究.在对材料微观结构的准确把握的基础上,通过引入损伤变量对微观破坏过程进行描述,连续损伤力学可以准确的对工程结构材料的力学性能发展进行预测.在过去三十年中,我们目睹了损伤力学的快速发展,也认识到了它在混凝土结构分析领域的广阔前景,因此,该文试图通过基于损伤力学的数值分析方法,对钢筋混凝土结构的工作性能利损伤过程进行模拟.自从上个世纪60年代末开始,Ngo和Scordelis以及Rashid已经开始将数值分析方法应用于混凝土结构的开裂分析当中.在前者的工作中,当单元节点力超过限值后,便会在该节点形成新的边界并且重新划分网格(离散裂缝模型);而在后者的方法中,裂缝被形象的标记在了积分点上,一旦某个积分点的值达到限值,便会退出工作,但是有限元域的连续性被保留了下来(弥散裂缝模型).正是弥散裂缝模型的上述特性,使得连续损伤力学可以与之紧密的结合,并应用于混凝土结构的刚度退化和开裂损伤过程的模拟.从数值分析的角度上来说,这种结合避免了裂缝分析过程中,离散有限元求解域的种种限制,给出更加符合通用有限元程序的求解过程.该文的主要目的在于,给出一个可以描述钢筋混凝土结构自裂缝产生开始,直到裂缝聚合形成大范围损伤,并最终破坏的有限元方法.同时开发能够实现下述要求的有限元结构分析软件:1.将非局部损伤模型应用于结构数值分析之中,避免由于网格敏感性和应变局部化问题得到失实的应变和损伤模拟结果,同时针对不同尺度的待分析结构,考虑尺寸效应对损伤变量的影响;2.采用弥散裂缝模型对结构单元的开裂和损伤过程进行初步定位,并且无需对网格进行过多处理;3.将通常采用的钢筋杆单元与粘结单元进行静力凝聚,在不增加有限元分析规模的前提下,考虑钢筋和粘结滑移效应对结构分析结果的影响.为了实现上述的目标,该文准备了大量考虑钢筋混凝土结构损伤模拟的算例,其中包括混凝土轴拉试件模拟,尺寸效应模拟以及四点受弯钢筋混凝土梁模拟.通过对这些分析结果的研究,证实了该文有限元程序的有效性和准确性.同时,在实现此次数值模拟的过程中,该文还考虑了非局部损伤分布函数的引入,并实现了尺寸效应的初始损伤变量的数值表达,使得最终的分析结果避免受到网格划分尺度利分析结构尺度的影响,有着较好的实用价值.
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