STRUCTURAL DAMAGE MODEL OF UNSATURATED EXPANSIVE SOIL AND ITS APPLICATION IN MULTI-FIELD COUPLE ANALYSIS ON EXPANSIVE SOIL SLOPE

Focused on the sensitivity to climate change and the special mechanical characteristics of undisturbed expansive soil, an elasto-plastic damage constitutive model was proposed based on the mechanics of unsaturated soil and the mechanics of damage. Undisturbed expansive soil was considered as a compound of non-damaged part and damaged part. The behavior of the non-damaged part was described using non-linear constitutive model of unsaturated soil. The property of the damaged part was described using a damage evolution equation and two yield surfaces, i.e., loading yield （LY） and shear yield （SY）. Furthermore, a consolidation model for unsaturated undisturbed expansive soil was established and a FEM program named UESEPDC was designed. Numerical analysis on solid-liquid-gas tri-phases and multi-field couple problem was conducted for four stages and fields of stress, displacement, pore water pressure, pore air pressure, water content, suction, and the damage region as well as plastic region in an expansive soil slope were obtained.

基于混凝土塑性损伤模型的桥墩在快速水流作用下的损伤分析

为探究快速水流作用对桥梁水下结构的影响,基于混凝土塑性损伤模型,建立了某桥墩在水流压力作用下的有限元分析模型,系统分析了不同水流速度、水深条件下不同强度桥墩结构变形及损伤的发生、发展过程及特征。结果显示,快速水流作用下,桥墩根部迎水面的受拉区更容易发生损伤;考虑结构非线性后,桥墩的水位高度临界值在8m左右,水流速度的临界值在6m/s左右;超过临界值后桥墩的塑性损伤及墩顶位移发展急剧加快,在一定条件下会超过规范限值。计算结果还表明,对同一个桥墩而言,损伤发生时的预警流速仅为按照规范规定的墩顶位移限值确定的预警流速的0.6倍左右,故目前传统设计的桥梁存在一定的损伤隐患;而提高混凝土强度并不能显著提高预警流速,将混凝土强度从C25提高到C40,预警流速仅增加了10%。

等幅荷载下钢筋混凝土梁变幅疲劳全过程分析

目的 研究等幅荷载下钢筋混凝土梁的应力变化规律,实现在等幅荷载下钢筋混凝土梁变幅疲劳全过程分析,精准预测疲劳作用后钢筋混凝土梁的抗弯性能。方法 首先基于混凝土疲劳残余应变推导出变幅疲劳下的损伤值,根据疲劳下混凝土及钢筋的强度和刚度退化及疲劳残余变形演化规律,构建出混凝土及钢筋变幅疲劳本构模型,然后提出了变幅疲劳的仿真分析流程,最后借助有限元软件ABAQUS建立等幅疲劳荷载下的钢筋混凝土梁模型。结果 通过不断更新疲劳损伤后材料的本构模型,可以模拟任意疲劳荷载次数后钢筋混凝土梁的疲劳状态。结论 仿真结果与试验结果吻合程度高,验证了该分析方法的准确性;等幅荷载下受压区混凝土和受拉钢筋的应力均会出现不同程度的变化。

碰撞条件下常用混凝土模型比较

通过数值试验分析Holmquist-Johnson-Cook(HJC),Concrete-Damage(DAM)和Kinematic-Hardening-Cap(KHC)等常用混凝土模型在侧向撞击、单轴压缩和单轴拉伸条件下的响应特征,研究各模型对碰撞情形的适应性.结果发现:对于侧撞,当撞击速度不大时,各模型所得撞击力结果基本一致;DAM模型因不能有效控制拉伸体积变形可能造成位移过大;HJC模型能较好地考虑应变率效应,预测的单轴动态压缩强度与实际强度较为符合;HJC和KHC模型没有考虑拉伸和压缩子午线的区别,HJC预测的拉应力可能严重偏离其材料强度,而KHC模型在极限状态下很容易发散,无法预测正确结果.

基于RHT本构模型的钢渣混凝土SHPB模拟研究

本文采用试验和数值模拟相结合的方法,对钢渣混凝土的静力学性能和冲击动力学性能展开研究。在试验部分,制备了四种不同钢渣掺量(0%、25%、35%、45%)的混凝土试件,并对其抗压强度和抗拉强度进行测试。在数值模拟部分,建立钢渣混凝土的三维有限元模型,采用了RHT本构模型来描述混凝土的非线性本构关系,模拟不同钢渣掺量下混凝土的SHPB冲击动力学响应。结果表明:钢渣掺量的增加会导致混凝土的静力学性能和冲击动力学性能均呈下降趋势;当钢渣掺量为25%时,混凝土的冲击状态和参数与钢渣掺量为0%时的混凝土最相近,具有较高的抗冲击能力;当钢渣掺量为45%时,混凝土的冲击峰值应力最低,表现出完全损伤的特征。

变参数蠕变损伤本构模型及其工程应用

考虑岩体的流变损伤劣化效应,建立一个变参数的蠕变损伤本构模型,该模型将岩体流变力学参数看作是非定常的,认为岩体流变参数随时间逐渐弱化,从而直观反映材料的损伤劣化过程。推导该蠕变损伤本构模型的三维差分表达式,并通过C++与FISH编程对有限差分软件FLAC3D进行二次开发,实现本构模型的程序化。将该模型应用于大岗山水电站坝基边坡工程,基于现场压缩蠕变试验,反演坝区岩体的蠕变损伤参数,通过坝区边坡开挖三维蠕变损伤稳定性计算,获得对边坡开挖设计和施工具有指导意义的建议和结论。

混凝土弹塑性损伤本构模型研究 Ⅰ:基本公式

从分析混凝土材料的基本损伤机制出发,本文采用受拉损伤变量和受剪损伤变量反映微观损伤对混凝土材料宏观力学性能劣化的影响,建议了一类基于能量的弹塑性损伤本构模型。该模型基于有效应力张量分解定义材料的弹性Helmholtz自由能,并根据有效应力空间塑性力学确定了塑性变形的演化法则和塑性Helmholtz自由能。由此给出了材料的总Helmholtz自由能和弹塑性损伤能释放率,建立了符合热动力学基本原理的损伤准则,并根据正交法则得到了损伤变量的演化法则。对Kupfer双轴试验的数值模拟结果初步说明了模型的有效性。文中涉及到的数值算法及进一步的试验验证将在本文第Ⅱ部分给出。

非饱和膨胀土的结构损伤模型及其在土坡多场耦合分析中的应用

针对原状膨胀土对气候变化反映敏感的特点和其具有胀缩性、裂隙性、超固结性等力学特性,以非饱和土力学和损伤力学为基础,建立了一个非饱和膨胀土的弹塑性损伤本构模型及相应的固结模型.把原状膨胀土看成是由未损部分和损伤部分的复合体,未损部分用非饱和土的非线性本构关系描述,损伤部分用损伤演化方程和两个屈服面(即,加载屈服面和剪切屈服面)描述.其中的损伤演化方程包括加载引起的损伤和干湿循环引起的损伤两个方面,用作者研制的CT_三轴试验确定.设计了相应的有限元程序UESEPDC;对非饱和膨胀土边坡进行了三相多场耦合问题的数值分析.分析分为4个阶段,得到了边坡在每一分析阶段的应力场、位移场、孔隙水压力场、孔隙气压力场、含水量场、基质吸力场、结构损伤演化场和塑性区扩展的动态图,较好地揭示了膨胀土边坡在开挖和气候变化条件下逐渐发生失稳滑动的现象及其机理.

混凝土的数值本构模型研究

提出混凝土材料的数值本构模型的概念和方法 ,其要点有三条 :一是根据应力状态数值来判断和采用何种本构模型 ;二是可以采用不具有明确物理意义的基于实验数值的模型 ;三是可以进行多重判断 .并在其拉裂的裂缝模型中引入应力释放因子 ,剪力传递因子 .用本方法进行的数值计算所得的裂缝形态与试验结果较接近 .

混凝土弹塑性损伤本构模型参数及其工程应用

为提高弹塑性损伤本构模型的工程实用性,研究各参数取值对模型损伤发展、塑性发展及材料应力应变关系的影响.拟合参数取值与混凝土材料常用指标弹性模量、单轴抗压强度及单轴抗拉强度联系之间的函数关系,提出实用的参数取值确定方法.对规范规定的各强度混凝土材料进行数值模拟,结果表明:模型及参数确定方法能够较准确地模拟混凝土材料的各种非线性本构行为.采用用户材料子程序UMAT进行本构模型在ABAQUS中的二次开发,对上海某酒店项目进行数值模拟:在结构设计软件PKPM中完成建模,将模型转换为ABAQUS模型进行计算,并将计算结果与振动台试验结果进行比较.结果表明:各振形计算自振频率相差在5%以内,顶层位移时程除个别极值外总体匹配较好,楼层位移差在10%以内,最大层间位移除个别楼层相差达到30%以外,一般楼层相差10%左右,验证了所提出的参数确定方法及本构模型是合理有效的;通过分析结构各关键时刻损伤分布云图,表明弹塑性损伤本构模型能够实时反映结构的破坏过程,便于分析者直观地把握结构破坏形态.

钢筋混凝土梁疲劳累积损伤过程的等效静力分析方法

为了实现对钢筋混凝土梁疲劳性能的全过程分析和剩余承载力评估,提出一种混凝土构件疲劳累积损伤过程的等效静力分析方法。通过对材料疲劳刚度、强度退化和疲劳残余变形累积发展规律进行分析研究,建立混凝土和钢筋任意加载次数后的疲劳本构模型;基于混凝土材料在静态荷载与疲劳荷载作用下破坏的相似性,构建疲劳荷载与静载作用的等效关系,提出钢筋混凝土构件疲劳性能的等效静力分析方法。采用该方法对某混凝土试验梁进行疲劳性能分析。研究结果表明:所获得的数值模拟结果与实验值变化规律一致,吻合程度良好,验证了该方法的有效性和实用性。

冻融作用对混凝土跨海大桥桥墩稳定性影响研究

北方海域海水冻融作用对混凝土跨海大桥的安全稳定性具有重要的影响,针对该问题,通过室内冻融试验研究得出了青岛海湾大桥桥墩混凝土在冻融循环作用下的极限抗压强度及其峰值应变、极限抗拉强度、弹性模量等力学性能指标随不同冻融循环次数的衰退规律,并推导出混凝土冻融损伤本构方程。根据室内外试验的对比关系,得出了桥墩混凝土结构各力学性能指标随结构服役时间的退化规律及不同服役期内混凝土的冻融损伤本构方程。建立了青岛海湾大桥沧口段航道桥过渡墩基础的3维有限元模型,应用非线性理论对过渡墩基础进行了数值分析,得出了不同服役期内该混凝土过渡墩基础的最大应力与最大竖向位移的产生位置及其随时间的变化趋势,并分析了其安全性规律,得出了若干结论,可为工程前期设计及后期维修加固提供一定的参考依据。

混凝土Johnson-Holmquist本构模型灵敏参数的初步确认

混凝土Johnson-Holmquist(JH)本构模型广泛应用于混凝土动态响应的数值模拟,其参数的取值直接影响计算结果的可靠性。本文采用数值实验方法分析了JH模型的参数灵敏度,确定了模型中的高灵敏度参数,对工程计算中JH模型参数的取值给出了建议。

混凝土坝地震动力损伤分析

基于塑性损伤本构理论,将损伤变量作为内变量,在Drucker-Prager本构模型中引入损伤变量,考虑材料损伤引起的材料劲度的退化,基于非关联流动法则计算材料的塑性应变,根据材料的有效塑性应变计算损伤量,考虑到张开裂缝闭合时材料弹性劲度的恢复,推导了考虑塑性损伤的混凝土动态本构关系,并给出了内变量的计算步骤和动力方程的迭代格式。最后利用建立的动态本构模型对Koyna重力坝进行了非线性地震响应时程分析,并给出了关键时刻坝体最大受拉损伤分布,结果表明在坝颈和坝基处出现了较大的损伤,坝颈处的损伤最终形成由下游向上游的开裂破坏,这与该坝的实际震害较为一致。

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上,通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性—损伤阻尼应力,建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型;给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法,并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明:建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为,并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响,同时其数值算法是稳定有效的,可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。

均质混凝土受压性能的细观数值模拟

将混凝土看作由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料,在细观层次上建立了均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型,分别赋予细观单元弹脆性和弹塑性本构关系,研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程,分析了宏观应力应变曲线的差异,并将计算结果与试验结果做了比较。结果表明:混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的;界面相是混凝土材料内部最薄弱的地方;砂浆单元采用弹塑性本构关系时所得混凝土棱柱体受压的宏观应力-应变全曲线与试验结果比较接近。

混凝土受压性能的非均质细观数值模拟

将混凝土看作是由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料,在细观层次上建立了非均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型,分别赋予细观单元弹脆性损伤本构关系或弹塑性本构关系,研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程,获得了相应的混凝土单轴受压宏观应力-应变曲线,并将计算结果与试验结果做了比较.结果表明:混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的;非均质模型计算所得的宏观应力-应变曲线上升段与试验结果吻合相对较好,弹塑性本构模型计算所得的曲线下降段比弹脆性模型更接近于试验曲线.

混凝土受压损伤本构模型及其数值验证

利用能量等效假设,结合混凝土结构设计规范中的混凝土受压本构关系,引入标量形式的损伤变量,提出了新的混凝土损伤模型,以用于混凝土结构的损伤分析。新的损伤演化方程中的材料参数值完全由试验标定;以单边切口混凝土梁的四点剪切加载为例,在ABAQUS有限元分析软件中采用该模型进行结构损伤分析,结果表明,模型损伤演化结果符合数字散斑试验结果趋势,说明该损伤模型用于混凝土结构损伤分析是可行的。

高速铁路隧道基底混凝土结构的随机损伤模型

基于热力学原理与能量耗散原理,针对高速铁路隧道基底混凝土结构"拉—压—拉—压"反复受力特点,定义双标量损伤变量,引入硬化函数,建立混凝土受拉、受压条件下基于修正弹塑性亥姆霍兹自由能的随机损伤本构模型。在有效应力空间,根据塑性力学正交法则推导损伤变量的演化法则;在概率密度演化方程求解的基础上,建立"弹性预测—塑性修正—损伤修正"数值分析算法,并进行程序二次开发,实现对随机损伤本构模型的求解。通过与混凝土单轴拉伸、单轴压缩室内试验结果对比,验证所建立随机损伤本构模型的准确性和适用性。该模型既可在均值意义上反映混凝土受拉、受压的应力—应变关系,也可以在概率意义上模拟其离散范围,较为全面地反映了混凝土受力行为的非线性与随机性;可用于计算分析隧道基底混凝土结构的损伤演化规律及损伤疲劳寿命。

不同山体坡度初始地应力特点及对地下工程影响

在高山峡谷地区修建地下工程,山体坡度不同时会对初始地应力有十分重要的影响。通过数值分析研究了当山坡坡角分别为30°、45°和60°时,在重力场条件下山体中在垂直向和水平向典型剖面中初始地应力分布的特点。经比较后认为,若在山体中取其直接埋深算出的垂直向地应力数值与实际值相差很大。山坡越陡,差值越大。随后,又在45°的山体中设定开挖2个不同位置的洞室,并采用了节理岩体的损伤-断裂模型做数值分析,比较二者的稳定性状况。结果发现,其围岩的损伤度十分不对称,而且离坡面(或坡脚)越近,则破损区越严重。并提出了相应的结论和建议。