基于混凝土塑性损伤本构的高拱坝损伤开裂分析

为探究高拱坝在超强地震下所出现的结构损坏与失稳问题,从高拱坝超载能力的角度出发,结合混凝土材料在地震动拉-压循环荷载作用下的非线性特征,并考虑了高拱坝在地震前施工中形成的施工初始应力场,应用附加质量法分析了天然地震波频谱特性下的高拱坝损伤开裂特征。研究结果表明,坝踵基岩胶结面和水平向顶拱中部是损伤开裂的严重区域;在地震峰值呈梯度增大的设计工况下,坝基胶结面的损伤呈现规律性增大;在地震峰值为0.4 g的工况下,水平顶拱出现损伤,且地震峰值工况为0.6 g时,拱坝中部出现了贯穿性质的裂缝。同时将物理模型试验结果与拱坝损伤开裂仿真试验结果进行对比分析,结果表明二者的损伤开裂部位及发展趋势基本一致,进一步论证了仿真模拟试验的合理性。

基于隐式动力方法的大跨混凝土薄壳结构弹塑性全过程分析

以超长自由曲面预应力混凝土薄壳结构——第十届中国花卉博览会世纪馆为例,为进一步明确薄壳结构的极限承载力及破坏过程,建立了混凝土薄壳模型并进行弹塑性全过程分析。采用ABAQUS提供的隐式动力算法对壳体结构进行拟静力分析,该算法不仅具有较好的收敛性,且不存在显示动力算法的累积误差问题,兼具精度和效率。结果表明:壳体破坏过程为悬挑区先发生破坏,进而柱间混凝土产生较大的受压损伤,最终东侧壳体中部区域发生破坏,结构的极限承载力能满足规范要求。此外对世纪馆结构进行参数分析,讨论了矢跨比、混凝土强度等级、壳体厚度、预应力大小以及配筋率对极限承载力的影响,结果表明上述参数中,矢跨比的影响较为明显,而壳体配筋率对壳体极限承载力的影响不显著。

基于塑性损伤本构的七层混凝土剪力墙结构动力时程分析

混凝土材料是一类典型的准脆性材料,其力学行为介于弹性与脆性材料之间。为表征其力学特性,在连续介质力学的框架内,人们发展了混凝土损伤力学的分支。简言之,混凝土损伤表征的是材料细微观裂纹的萌生、发展与聚合效应在宏观上的综合现象。不同于断裂力学,损伤的存在并未打破连续介质力学的连续性假定,针对工程问题,则可以通过损伤力学结合有限元方法对混凝土结构进行模拟。结合混凝土材料塑性损伤本构模型与三维壳单元,本研究开展了一个7层足尺混凝土剪力墙结构的动力时程分析,并与实验结果和其他研究者的分析结果进行了对比,考察了混凝土剪力墙结构的抗震性能,并验证了模型的有效性。

基于混凝土损伤塑性本构模型的桥墩仿真分析

由于花瓶墩的体型巨大且几何构型不规则,采用一般的杆系单元方法只能近似分析其力学性能。利用ABAQUS的三维实体单元,分析该墩在组合工况作用下的三维应力分布情况,建立钢筋混凝土损伤塑性本构,计算桥墩混凝土开裂区的钢筋应力,分析混凝土裂缝的分布情况。与杆系单元相比,考虑混凝土损伤塑性本构关系的实体有限元仿真,更能直观精确地显示出非规则性结构的受力及细部裂缝的空间分布情况。

基于试验的ABAQUS混凝土塑性损伤参数取值方法

在ABAQUS的混凝土塑性损伤本构中,塑性损伤参数是影响钢筋混凝土构件行为的重要参数,其取值不仅影响卸载或反向加载的刚度,且直接对构件应变成分有很大影响。对国内外多组混凝土单轴往复压、拉试验数据进行统计分析及数据拟合,提出了一种新的塑性损伤参数的取值方法。与其他方法的比较及数值试验均表明,该方法能较准确地反映真实的混凝土退化特性,并且相对于其他损伤参数取值方法形式更为简洁,便于使用。

基于混凝土损伤模型的盾构隧道极限承载力研究

提出一种基于损伤的盾构隧道极限承载力分析方法,引入一种基于能量的应力分解的双标量弹塑性损伤本构模型以描述混凝土材料的损伤劣化行为,而后基于三维非连续接触模型构建盾构隧道精细化数值计算模型,最后,通过与足尺模型试验结果对比验证本文方法的有效性。研究结果表明:本文方法得到的荷载-收敛变形曲线和结构损伤开裂模式与试验结果较吻合,能够较好地反映加载过程中的结构变形、内力的传递、损伤演化过程、失效模式以及应力重分布等;隧道结构的失效破坏过程可分为线弹性阶段、屈服-损伤阶段和失效破坏阶段,在试验加载制度下,模拟出的阶段Ⅰ和Ⅱ的荷载限值分别为227.62 kN和418.12 kN,收敛变形限值分别为0.17%Dt和1.34%Dt(Dt为隧道直径);当隧道收敛变形达到规范规定限值0.60%Dt时,拱顶、拱底和两侧拱腰出现多条纵向离散裂纹,拱顶接头螺栓进入屈服状态,接头塑性铰已具雏形;盾构隧道结构的失效模式表现为拱顶和拱腰接头螺栓屈服、混凝土开裂最终形成多个接头塑性铰而被破坏。

基于混凝土损伤模型的卸载作用下盾构隧道损伤机理

在密集的地铁交通网附近区域进行工程活动会引起下卧盾构隧道产生较大纵向差异变形,对隧道结构服役性能及行车安全造成不利影响。既有研究大多基于弹性、弹塑性理论框架,忽视盾构隧道纵向变形带来的结构损伤的影响。考虑混凝土材料非线性损伤力学特性,首先引入一种基于能量的拉应力和压应力分解,考虑混凝土拉/压力学特性的差异;其次,建立双标量混凝土弹塑性损伤本构模型;最后,基于三维非连续接触模型及多尺度建模技术构建盾构隧道−围岩精细化模型,探究差异变形下盾构隧道损伤劣化机理。研究结果表明:卸载作用下,管片混凝土以局部拉损伤为主而压损伤较小,在管环拱顶和拱底内缘、拱腰外缘以及螺栓连接处拉损伤最严重;卸载作用会引起盾构隧道隆起变形,横截面椭圆度也随纵向发生变化,拐点附近管环椭圆度最大;卸载引起的盾构隧道纵向附加剪力和弯矩最大值分别出现在拐点附近和模型中心处;混凝土材料损伤劣化会降低盾构隧道承载能力、纵向刚度和环向刚度,基于弹性本构的计算模型会高估整体结构的刚度;当前分析工况下,管片钢筋较难屈服,而中间部位管段上半侧纵向连接螺栓较易屈服;加载曲线拐点附近管环受损最严重,且承受较大的附加剪力和弯矩,应特别予以关注。

双连梁短肢剪力墙结构的随机损伤演化分析

基本于概率密度演化方法和混凝土弹塑性损伤本构模型,本文针对一类新型双连梁短肢剪力墙开展了随机损失演化模拟研究。基于广义概率密度方程分别研究了结构荷载与受拉、受剪损伤随机过程,分析了三者在结构受力全过程中均值、方差以及变异系数的变化特征;通过不同随机参数组合计算结果与结构均值反应的对比,发现宏观结构荷载-位移曲线和细观受拉、受剪损伤随位移变化过程之间存在很大差异;通过分析研究典型位移水平下结构荷载与受拉、受剪损伤的概率密度曲线以及其极限状态下各自所对应的等概率线分布,不仅阐释了随机损伤演化的多样性与复杂性,而且为从本质上认识非线性问题提供了可能途径。

沉管接头混凝土剪力键力学性能模拟方法

对于地基沉降、高水位差变化、突发地震等不利工况来说,沉管接头剪力键是控制接头剪切刚度和变形的关键要素,通过混凝土塑性损伤本构建立接头剪力键模型,进而对沉管隧道接头的安全性、耐久性、力学性能进行一定的研究。运用有限元方法并结合适当的材料本构模型对沉管接头进行数值模拟,可为后续大比尺模型试验的设计提供一定参考依据。采用混凝土材料的塑性损伤本构模型,考虑混凝土应力-应变的非线性以及GINA止水带压缩变形的非线性,通过沉管隧道接头的三维精细化建模,按照实际工程情况分别研究了不同水压下管节接头的水平剪切刚度、最不利工况下管节接头的水平剪切极限承载力、钢筋混凝土剪力键的剪切破坏形态和力学特性,预测了管节接头的力学性能以及剪力键的破坏发展形式。

发射筒易碎前盖开盖过程的流体与固体耦合仿真方法

发射筒易碎前盖的压力波开盖过程是一个典型的流体与固体耦合问题。为研究易碎前盖的开启仿真过程,对易碎盖聚氨酯复合材料分别做了静态拉压实验、动态拉压实验,并利用用户子程序VUSDFLD对混凝土塑性损伤(CDP)本构模型进行扩展开发,用以描述易碎盖材料的承载和破裂状况;基于计算流体力学(CFD)的发射筒内流场仿真,对欧拉方法的同工况模型进行仿真校验,并借助耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)算法对易碎前盖的开启过程进行仿真。结果表明:所开发的含单元失效的CDP本构模型能较好地吻合材料实验和产品实验情况;CFD与CEL算法相结合的仿真方法能有效解决压力波开盖这类流体与固体耦合问题,且具有较高精度。