构件与结构耗能型损伤的表征及其量化分析方法

摘要

结构失效的根源在于结构构件细节处的损伤的发生、演化和累积。结构服役期间的环境及荷载共同作用，导致损伤在结构构件局部不断累积引起结构服役性能的逐步劣化，在突发地震等强荷载作用下就可能发生失效。如何考虑结构构件细节处损伤发生与演化的物理机制，并从构件和结构的宏观力学响应和服役性能出发，建立适用于结构失效分析的损伤表征方法，进而有效地进行结构损伤的量化与评估，是结构损伤与失效分析研究过程中亟待解决的关键问题。
　　本文在分析总结主要建筑工程结构（钢筋混凝土结构、钢结构）中常见损伤现象及失效形式的基础上，提出了以损伤附加应变能定义的构件与结构耗能型损伤表征和量化方法。针对以上两类结构及其典型构件，开展了准静态荷载/地震荷载作用下损伤演化的数值模拟分析工作;对比现有结构工程中应用的结构损伤指标，对本文提出的耗能型损伤表征和量化方法的合理性和适用性进行了分析论证。本文完成的主要工作及成果有:
　　总结了建筑工程结构中广泛使用的钢混结构及钢结构中的损伤现象及失效行为，介绍了构件层次的分布式损伤和裂纹式损伤的主要分析方法，从能量耗散角度提出了考虑损伤附加应变能的耗能型损伤的表征和量化方法。研究结果表明:钢混结构中分布式材料损伤演化导致的结构耐久性丧失是其主要失效形式，是典型的耗能型损伤。对于满足设计规范要求的钢结构，以构件局部裂纹问题引起的断裂失效为其主要失效形式，裂纹的形成、扩展直至断裂的过程中耗能也比较显著，亦可能为比较典型的耗能型损伤。
　　为了考证本文提出的耗能型损伤的表征和量化方法的可行性，论文对钢筋混凝土结构和钢框架结构的损伤表征与量化分析方法分别进行了研究。从含分布式材料损伤的混凝土梁到典型钢筋混凝土梁、柱构件，再到一个三层三跨的平面框架，逐层分析了钢混结构及其主要构件中耗能型损伤的表征方法及其具体量化过程;结合构件和结构损伤演化过程的有限元模拟结果，对比分析了各工程结构损伤指标与本文提出的耗能型损伤表征的联系和区别。研究结果表明:按照本文提出的耗能型损伤表征得到的量化结果与工程结构柔性损伤指标及Park-Ang损伤指标变化趋势相一致，损伤演化过程在初期变化平稳，中后期损伤累积加快，能反映地震加速度幅值及地震持时这些地震荷载关键因素对结构损伤的贡献;这表明按本文提出的耗能型损伤表征得到的量化结果可以用于钢混结构及其主要构件的损伤评估。
　　对钢框架结构的损伤表征与量化分析方法的研究，首先进行了含裂纹的有限尺寸梁板构件和考虑残余应力的构件耗能型损伤的量化分析。然后以一个二层平面钢框架为算例，通过钢框架结构在不同损伤工况下损伤演化有限元模拟及理论分析，说明了耗能型损伤的表征和量化方法在钢结构损伤分析中的可行性。研究结果表明:目前工程结构损伤指标中以刚度定义的损伤指标不能体现结构层次的强荷载作用引起的损伤突变，而耗能型损伤的表征方法在不同荷载工况下获得的损伤量化结果与钢混结构损伤后的结构性能劣化特征相符。
　　研究结果表明，本文提出的耗能型结构损伤的表征及量化方法适用于显著耗能型的钢混结构中构件及结构损伤分析，能够体现钢混结构损伤演化过程中占主导的分布式材料损伤能量耗散的不可逆性本质;且与工程结构损伤指标的变化有一定相关性，应用于结构地震损伤分析时能够反映加速度幅值对结构损伤的贡献，也能一定程度上体现地震持时的作用。但是在钢框架结构损伤分析中该指标只能体现结构服役荷载对非裂纹式损伤演化的作用，对于裂纹扩展对结构损伤的影响没能得到很好体现。这是由于钢结构损伤演化过程中多种因素综合作用导致了失效形式的多样性，其中既包含了显著耗能型损伤过程（如低周疲劳损伤累积导致的韧性断裂）及非显著耗能型损伤过程（如弹性失稳及脆断）。因此，针对钢结构多种因素综合作用下的损伤演化过程所需要的结构损伤表征与量化方法，还需要深入开展进一步的研究工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 构件材料损伤及断裂领域研究现状

1．2．2 工程结构损伤及破坏失效领域研究现状

1．3 本文主要研究内容和方法

第2章 主要工程构件和结构的损伤现象及失效控制因素

2．1 主要工程构件和结构的损伤现象及特征

2．1．1 钢混结构典型构件及结构的损伤现象及特征

2．1．2 钢结构典型构件及结构的损伤现象及特征

2．2 主要工程构件和结构失效机制及控制因素

2．2．1 钢混结构失效力学机制及控制因素

2．2．2 钢结构失效力学机制及控制因素

2．3 结构构件局部损伤的力学描述方法

2．3．1 混凝土材料损伤力学描述

2．3．2 钢结构中局部裂纹问题的描述

2．4 结构损伤的分类

2．5 本章小结

第3章 构件与结构损伤的表征及其量化分析方法

3．1 构件与结构耗能型损伤表征原理及思路

3．2 构件与结构耗能型损伤量化计算方法

3．2．1 混凝土分布式材料损伤耗能量化分析方法

3．2．2 钢结构类裂纹损伤耗能量化分析方法

3．3 工程领域常用结构损伤指标比较

3．3．1 基于结构动态响应的工程结构损伤指标

3．3．2 基于结构静态响应的工程结构损伤指标

3．4 本章小结

第4章 钢混建筑结构耗能型损伤的表征及量化方法

4．1 考虑分布式材料损伤的受弯混凝土梁的损伤量化

4．2 典型钢筋混凝土框架结构的损伤量化分析方法

4．2．1 结构模型及加载方式描述

4．2．2 混凝土损伤材料参数选取

4．2．3 钢混结构损伤量化方法

4．3 钢筋混凝土框架结构梁、柱构件损伤量化分析

4．3．1 单次加载下钢筋混凝土梁、柱损伤计算分析

4．3．2 构件损伤量化值与抗震性能指标的比较

4．4 钢筋混凝土框架结构损伤量化分析

4．4．1 单次加载下钢筋混凝土框架损伤计算分析

4．4．2 地震作用下钢筋混凝土框架损伤计算分析

4．4．3 结构损伤量化值与抗震性能指标的比较

4．5 损伤耗能表征和量化方法应用于钢混框架结构的优势与局限

4．6 本章小结

第5章 钢结构耗能型损伤的表征及量化方法

5．1 经典断裂模型中损伤耗能的量化分析方法

5．1．1 理想Griffith裂纹构件几何损伤耗能量化

5．1．2 考虑残余应力的裂纹构件损伤耗能量化

5．2 含中心裂纹的有限边界梁板构件的损伤耗能量化

5．3 钢框架结构损伤模型量化分析

5．3．1 钢框架结构模型的简化描述

5．3．2 构件等效刚度折减对结构刚度及损伤耗能的影响

5．3．3 钢框架结构损伤量化计算及分析

5．4 损伤耗能表征和量化方法应用于钢框架结构的优势与局限

5．5 本章小结

第6章 研究结论与展望

6．1 本文完成的主要工作及主要成果

6．2 后续研究工作展望及应用前景

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间撰写与发表的论文