现有的结构层次上的损伤量化方法是建立一个表示已发生损伤的程度的损伤指标，一般是基于结构测量模态参数的变化来识别或评估结构损伤。显然这种结构损伤指标不能体现结构中的损伤演化致失效的发生机理，更不能满足以结构剩余寿命或剩余承载力分析为目的的结构损伤评估。......
2023-08-26
构件与结构耗能型损伤表征的思路及原理
【摘要】：与材料损伤类似的，结构中的损伤演化过程也是不可逆的能量耗散过程。基于这样的思路，构件与结构耗能型损伤表征的基本思想是：一个结构在其建造完成后，其服役全寿命中能够承受的损伤能量耗散就是一个确定的量，由其结构构造形式、组成结构的材料性能等结构完整度所决定，与结构当前受力条件与环境无关。除此之外还需根据具体结构构形考虑可能存在的显著影响结构服役性能的其他损伤类型区域，用省略号表示。
与材料损伤类似的，结构中的损伤演化过程也是不可逆的能量耗散过程。损伤导致的能量耗散必然会引起结构损伤附加应变能。基于这样的思路，构件与结构耗能型损伤表征的基本思想是：一个结构在其建造完成后，其服役全寿命中能够承受的损伤能量耗散就是一个确定的量，由其结构构造形式、组成结构的材料性能等结构完整度所决定，与结构当前受力条件与环境无关。按照这样的思路来看，尽管结构损伤的表现形式繁多、结构失效机理和失效路径可能不尽相同，但结构在服役中损伤演化的共性特征，就是结构的完整度不断丧失的过程，一旦结构中损伤导致的能量耗散达到其能够承受的能量耗散总量，就会导致结构失效。因此，结构损伤可以表征为：结构主要部件中的损伤、裂纹等物理性能劣化、承载能力减弱等导致的附加应变能与造成结构失效所需要的能量之比。如记结构能够承受的能量耗散总量也即导致结构失效所需的能量为UFE（Failure Energy，FE），结构中由于损伤产生的附加应变能记为UDIE（Damage Induced Energy，DIE），则用来衡量一个结构损伤程度的变量Dd，可定义为：
上述结构损伤的定义中涉及两个重要的概念——导致结构失效所需的能量UFE和结构损伤附加应变能UDIE。显然，对不同结构而言，造成其失效所需能量是不同的，与结构当前受力条件与环境无关；而结构损伤附加应变能UDIE，是由结构当前的受力与损伤状态决定的，理论上对所有结构都可以有一般的计算公式；但是，对于构件众多、连接方式复杂、存在复杂多通道传力路径和许多冗余构件的土木结构来说，计算UDIE是一个复杂困难的课题，如果能够识别结构的主要传力路径和结构主要承重构件（designed to provide structural integrity），可以使UDIE的计算事半功倍。
1.结构损伤附加应变能UDIE
对于一般的复杂应力状态，如果材料损伤是各向同性的，损伤导致的有效应力为：
根据应变等效原理，用损伤后的有效应力来取代无损材料本构关系中的名义应力（Cauchy应力）可将损伤材料的本构关系表示为：
对于塑性材料的损伤过程，总的能量耗散可分为三个部分（如图3.22所示）：①材料中储存的弹性应变能；②塑性变形过程中消耗的塑性耗散能；③损伤演化过程中消耗的损伤耗散能。图中的曲线OA′B′代表塑性流OAB中的塑性硬化演化。AB和BC部分分别对应塑性硬化和损伤演化过程中的应变增量。
图3.22 塑性流动与损伤演化的能量耗散
弹性应变能可以用下式计算：
当结构或其中的部分构件在线弹性变形过程中发生损伤演化时，损伤导致的附加应变能UDIE为：
在结构损伤初期，损伤演化只发生在某些局部区域；此时，只要识别结构中已发生损伤的构件及其连接细节区域，在易损局部区域内计算结构的损伤附加应变能。为此，式（3－84）中的积分域Ω的下标W、MD（Material Damage）、CD（Cracked Area）和FD（Fatigue Damage）分别表示整个结构区域、材料退化损伤区、类裂纹区以及疲劳损伤区。除此之外还需根据具体结构构形考虑可能存在的显著影响结构服役性能的其他损伤类型区域，用省略号表示。在不同类型损伤主导的区域，须根据具体的损伤机制选用合适的理论计算该区域的损伤附加应变能。
2.导致结构失效所需能量UFE
工程结构失效分析的研究结果表明，结构在不同的失效机制下其失效的控制因素不同，工程结构设计中为了满足安全性及适用性要求也提出了各种失效控制量如最大位移、结构强度等。如将这些失效控制量看成广义力（位移），由这个广义力（位移）和对应的广义位移（力）求得的功即为造成结构失效所需的能量，因此结构失效所需的能量需要结合具体结构失效形式的失效控制量来确定。例如，对于钢筋混凝土框架结构在顶点水平荷载作用下发生的结构失效，失效控制量为最大水平位移，在UFE的计算中如将结构简化为理想弹塑性的，这时由于损伤存在引起的附加应变能的极限值即结构失效所需能量可按照UFE＝Fy（δu－δy）来计算，这里Fy、δu和δy分别为极限荷载、屈服及极限位移。
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2023-08-26
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