大跨立体拱桁架的累积损伤试验与模拟分析

摘要

随着社会发展，大跨度空间网格结构在公共建筑中得到广泛应用，而大量震害表明，这类结构在灾难性地震作用下可能会发生低周疲劳累积损伤破坏，形成对大量生命与财产的潜在威胁，因此，对空间网格结构累积损伤的研究成为当前的热点课题。本文以钢管拱桁架结构模型为研究对象，从模型试验、理论分析和数值模拟方面对累积损伤破坏过程进行了系统研究。首先对拱桁架模型进行了竖向循环荷载作用下的低周疲劳试验，并根据试验结果提出了基于能量耗散的损伤评估模型;然后根据能量损伤原理改进了应变和比能的材料损伤模型，利用ABAQUS软件开发了耦合损伤混合硬化材料子程序;最后对拱桁架模型进行了累积损伤的数值模拟。主要的工作及研究成果如下:
　　1、在国内首次进行了跨度6m、矢跨比分别为0.2、0.3、0.4的钢管拱桁架结构低周疲劳试验。通过试验得到了结构的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、延性性能和刚度退化等抗震性能。结果表明:结构的塑性应变和损伤主要集中在节点处，并首先在节点处发生破坏，可见节点的损伤在拱桁架结构整体中具有主导地位;出现裂缝的节点会在5-6个循环内发生断裂，同时结构的强度、刚度、耗能能力会大幅度下降。
　　2、根据损伤力学基本理论，提出了一种基于能量耗散的损伤评估模型。运用该评估模型和公认的3种损伤评估模型对拱桁架结构累积损伤发展过程进行了对比分析。结果表明:本文的损伤模型不仅能反应结构损伤的变化规律，而且更能体现结构在裂缝出现、扩展和断裂时损伤的影响。
　　3、为了便于应变和比能的材料损伤模型在实际中的应用，根据能量损伤原理，通过引入三轴函数对该模型进行了改进，利用ABAQUS软件将改进的材料损伤模型编入用户子程序(UMAT)，开发了应用于实体单元的耦合损伤混合硬化材料子程序。
　　4、以矢跨比0.2拱桁架模型为例，首次利用实体单元建立了相贯节点的整体结构有限元模型。数值模拟结果与试验结果比较得出:塑性应变较小时，材料损伤对结构影响较小;随着塑性应变的深入发展，材料累积损伤效应产生的影响逐渐增大，计算中若不考虑这一影响因素就会导致高估结构承载能力，使结构存在一定的安全隐患;模拟产生的裂纹和结构破坏形态，与试验结果一致。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 损伤理论及应用的研究进展

1．2．1 国内外损伤理论的研究概况

1．2．2 损伤研究进展

1．3 本文的主要工作内容

第二章 钢管拱桁架结构低周疲劳损伤试验研究

2．1 引言

2．2 试验概况

2．2．1 模型设计与制作

2．2．2 材料力学性能

2．2．3 加载装置与加载制度

2．2．4 加载及数据采集设备

2．2．5 量测内容及测点布置

2．3 试验现象和破坏形态

2．3．1 矢跨比0.2模型

2．3．2 矢跨比0.3模型

2．3．3 矢跨比0.4模型

2．4 试验结果及分析

2．4．1 滞回曲线与骨架曲线

2．4．2 耗能能力

2．4．3 刚度退化

2．4．4 延性性能

2．4．5 累积损伤破坏机理

2．5 本章小结

第三章 拱桁架结构累积损伤模型

3．1 引言

3．2 现有的损伤评估模型

3．2．1 Park-Ang评估模型

3．2．2 Kunnath评估模型

3．2．3 Roufaiel评估模型

3．3 本文的损伤评估模型

3．3．1 损伤的物理本质

3．3．2 损伤的热力学理论

3．3．3 拱桁架损伤评估模型

3．4 损伤评估模型计算结果对比分析

3．5 本章小结

第四章 钢材耦合损伤的混合硬化本构模型

4．1 引言

4．2 应变和比能材料损伤模型及其改进

4．2．1 应变和比能材料损伤模型

4．2．2 改进的应变和比能材料损伤模型

4．3 耦合损伤的混合硬化材料本构模型

4．3．1 初始屈服

4．3．2 混合硬化

4．3．3 耦合损伤的材料本构

4．4 耦合损伤的有限元方程

4．5 耦合损伤的混合硬化子程序

4．5．1 混合硬化子程序的开发与验证

4．5．2 耦合损伤的混合硬化子程序的开发

4．6 本章小结

第五章 拱桁架结构累积损伤模拟分析

5．1 引言

5．2 拱桁架有限元模型的建立

5．2．1 单元的选取

5．2．2 材料模型

5．2．3 计算模型

5．3 拱桁架有限元模拟结果分析

5．3．1 滞回曲线、骨架曲线对比分析

5．3．2 拱桁架塑性及损伤发展过程

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文