考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析

摘要

重大工程结构在其服役期内不可避免地会发生结构局部劣化和损伤。并且有很大可能受到各种强载荷作用，这些结构损伤和局部劣化在强载荷作用下的演化导致局部失效的过程会使结构抗力衰减，继而引起不同形态的结构破坏。结构失效从其本质分析，每种破坏形态都始自材料损伤，且均是在损伤发展到一定限值后发生的。因此，在结构抗震性能分析过程中考虑材料损伤演化及其对结构局部失效和破坏影响显然更符合结构在地震载荷作用下发生失效的实际情况，发展这样的分析方法有着非常重要的学术意义和工程应用前景。本文从地震载荷的特性及强动载荷作用下的结构损伤和破坏机理出发，遴选了对地震载荷下钢结构损伤失效过程描述最为合理的钢材料延性损伤本构模型，研制了将损伤演化方程和损伤材料的应力应变关系引入大型有限元软件ABAQUS中的补充软件，建立并实现了考虑材料损伤演化过程的强动载荷下的结构非线性响应与失效过程分析方法，分析了材料损伤演化对结构局部失效和主要抗震性能指标的影响。本文完成的研究工作和主要成果有：
　　 1.在调研材料损伤及损伤本构关系研究现状的基础上，考虑地震载荷下钢材损伤失效机理和损伤材料的应力应变特性，选择基于连续损伤力学的钢材损伤演化过程描述方法，明确了适合于描述地震载荷下钢结构损伤失效过程的合理的钢材料延性损伤本构模型。研究发现适用于描述金属材料延性损伤的Lemaitre模型表达简洁，参数易于确定，损伤变量参数测量便利，已被试验验证具有比较高的计算精度，可以满足钢结构在抗震性能分析过程中考虑材料损伤演化的分析要求。并根据计算分析的需要，综合塑性力学和损伤力学理论框架，将微分形式的Lemaitre应变-损伤耦合本构方程和损伤演化动力律改为增量表达形式，以符合程序实现要求和分析调用条件。
　　 2.根据强动载下结构非线性损伤分析的需要，选择非线性有限元分析软件ABAQUS作为本文计算平台。为引入分析所需的损伤演化方程和损伤材料的本构方程，在ABAQUS的用户子程序接口UMAT框架下编写代码，定义了材料塑性和损伤的门槛值及演化规律，实现了应力更新算法，求解了一致切线模量，从而建立了考虑材料损伤演化的强动载荷作用下的结构失效过程和抗震性能分析方法。
　　 3.应用考虑材料损伤演化的强动载荷作用下的结构失效过程和抗震性能分析方法，首先计算分析了构件在强动载荷作用下的损伤失效过程及其对构件抗震性能的影响。以钢框架抗震结构的主要节点形式之一的狗骨式刚节点构件为例，分析了结构抗震性能试验动载荷下节点域的损伤分布和涫化特性，通过对比考虑损伤和不考虑损伤的计算结果，总结了材料损伤演化过程对狗骨式刚节点构件在低周反复载荷下的动应力分布和抗震性能的影响，说明了在结构抗震性能分析中考虑材料损伤演化过程的必要性。研究结果表明，应用完备形式Lemaitre损伤演化方程和应变-损伤耦合本构方程可以描述材料强化特性对损伤演化规律的影响，量化材料刚度退化引起的承载面积下降和单位面积承载力降低，有效描述在低周反复载荷下材料损伤演化过程造成的构件关键位置处有效应力增大和承载能力降低；在对构件进行局部抗震性能分析时，可以用构件关键位置处的损伤材料累积塑性应变分布区域和极值大小来衡量构件局部位置处的破坏程度；用构件关键位置处的有效应力场来表现构件关键位置处的承载状态。在对构件进行整体抗震性能分析时，则可以用构件的相对载荷-位移曲线面积来描述构件耗能能力的不断降低。
　　 4.在构件分析的基础上，进而研究了大跨桥梁钢箱梁结构中的典型加劲桁架结构的损伤与抗震性能。建立了结构的三维实体有限元模型，用该结构的动态特性与静应变分布测试结果论证了模型的正确性。应用模型分析了强动态载荷作用下钢桁架结构的有效应力分布和损伤演化规律。研究结果表明，不同幅值循环动载荷和低周反复载荷工况下，结构塑性区和损伤区分布位置大体相同，但其尺寸大小和对整体分析结果的影响程度有所差别：高幅值低周期数循环载荷下，材料劣化区域大，局部位置材料损伤对结构整体分析结果影响较大；低幅值高周期数循环载荷下，损伤分布集中，更容易发生局部位置处的破坏和断裂，但局部破坏发生之前，材料损伤对结构整体分析结果影响很小；可以将局部损伤区域的累积塑性应变值作为指标，讨论结构在低周反复载荷下的局部抗震性能。
　　 本文研究建立的考虑材料损伤演化的强动载荷作用下的结构失效过程和抗震性能分析方法，有助于更准确地描述强动载荷作用下结构中由于材料损伤演化导致的结构非线性响应和局部失效的过程，更好地解释了强动载荷下发生的从材料损伤到构件节点失效再到结构破坏的机理。这一分析方法可适用于非瞬时破坏的地震载荷作用下的结构损伤与局部失效状态的分析与评估，对于更加准确地分析构件或结构的抗震性能指标从而发展新的结构抗震设计方法也将具有一定的参考作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 相关领域研究现状

1.2.1 材料损伤及损伤本构关系研究现状

1.2.2 工程结构损伤与破坏问题研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 地震载荷下结构非线性分析的钢材损伤本构模型

2.1 地震载荷下钢材的交形特性与损伤特征

2.1.1 地震载荷下钢材的应变率效应

2.1.2 材料损伤特征及其描述方法

2.1.3 钢材的延性损伤特性描述

2.1.4考虑程序实现可行性的损伤理论选择

2.2 钢材损伤动力律与损伤演化方程的确定

2.2.1 基于不可逆热力学的损伤分析

2.2.2 损伤演化动力律与损伤势函数

2.2.3 损伤演化方程

2.3 Lemaitre各向同性损伤本构理论

2.3.1 塑性屈服准则和强化模式

2.3.2 Lemaitre应变-损伤耦合本构方程

2.3.3 公式总结

2.4 本章小结

第3章 考虑材料塑性与损伤演化的结构非线性分析方法及其实现

3.1 考虑材料损伤的结构非线性分析方法实施策略

3.1.1 耦合损伤的结构非线性分析方法

3.1.2 考虑材料塑性损伤的结构非线性分析方法实施策略

3.2 有限元分析软件及其二次开发

3.2.1 ABAQUS中非线性问题的处理方法

3.2.2 ABAQUS材料用户子程序特性及其调用方法

3.3 材料损伤本构方程的程序实现

3.3.1 UMAT子程序实现流程

3.3.2 弹塑性状态和损伤状态的决定

3.3.3 考虑材料损伤的应力更新算法

3.3.4 一致切线模量的定义和求解

3.3.5 程序实现过程中主要问题和注意事项

3.4 本章小结

第4章 刚节点构件的损伤过程和抗震性能分析

4.1 狗骨式刚节点构件的受力性能

4.2 刚节点构件有限元模拟

4.2.1 几何模型描述

4.2.2 材料参数选取

4.2.3 单元选择与网格划分

4.3 单轴拉伸和循环载荷下构件中损伤对应力应交响应特性的影响

4.3.1 损伤演化方程计算精度分析与形式选择

4.3.2 损伤的考虑方式及其对材料单轴拉伸应力应变特性的影响

4.3.3 损伤对材料反复拉压应力应变特性的影响

4.4 低周反复载荷下刚节点构件的损伤分布与演化过程

4.5 材料损伤对构件抗震性能的影响

4.5.1 材料损伤对节点域削弱截面处应力场的影响

4.5.2 材料损伤对节点域滞回性能的影响

4.5.3 考虑材料损伤演化的构件抗震性能指标选择

4.6 考虑材料损伤时刚节点构件的失效过程与破坏模式

4.7 本章小结

第5章 强动态载荷下结构损伤特征分析

5.1 以损伤分析为目标的结构有限元模拟

5.1.1 含焊接细节的加劲钢桁架结构及其试验概况

5.1.2 加劲钢桁架结构试样的有限元建模

5.1.3 加劲钢桁架结构试样有限元模型的验证

5.2 不同幅值循环动载荷下钢桁架结构应力分布和损伤演化规律

5.2.1 循环动载荷下钢桁架结构损伤区分布

5.2.2 钢桁架结构危险点处的损伤演化过程

5.2.3 钢桁架关键位置处的应力分布

5.3 低周反复载荷下钢桁架结构应力分布和损伤失效过程

5.3.1 低周反复载荷下钢桁架结构损伤区分布

5.3.2 钢桁架结构危险点处的损伤演化过程

5.3.3 钢桁架结构的损伤失效过程

5.3.4 钢桁架关键位置处的应力分布和抗震性能描述

5.4 考虑材料损伤演化的结构动态响应与失效过程分析的特点与优势

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 完成的主要工作及主要成果

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间撰写与发表的论文