在基于材料细观构造图像建立了混凝土细观模型以后，还需要确定计算混凝土材料细观损伤演化过程的基本方程，包括由混凝土各细观组分材料性能决定的材料刚度矩阵计算、各细观组分材料的损伤演化率等。对于大尺寸的混凝土土木工程结构，则必须发展损伤跨尺度演化过程的自适应模拟与分析方法。......
2023-08-26
结构损伤多尺度模拟：细观损伤演化对连接抗震性能的影响
【摘要】：从图4.22和图4.23可以看出，损伤演化的速度随着构件截面的减小而加速。图4.22加载过程中梁腹板上的损伤演化过程图4.23加载过程中梁翼缘上的损伤演化过程3.易损区域损伤演化对框架节点地震响应的影响基于上述关于易损局部损伤分布的分析，进一步研究分布损伤的演化过程对构件地震行为和承载能力的影响，其中对动态应力和抗震性能的影响是通过考虑局部损伤演化计算的结果与忽略损伤演化的计算结果之间的比较来考察。
现在我们可以利用前述结构地震损伤多尺度分析方法，来分析一个结构抗震设计中常用的连接构件——狗骨节点，以展示结构地震损伤多尺度分析方法的可行性，同时探讨节点部位材料中的细观缺陷引发的损伤演化对构件抗震性能的影响。钢结构抗震设计中设置狗骨节点是用于在地震负荷下提高部件的延展性和抗弯性。一般狗骨框架接头的截面几何形状及其尺寸如图4－18和表4－2所示，其中的a，b，c的值根据相关抗震设计规范确定如下：
表4－2 狗骨框架节点的几何尺寸（mm）
图4.18 狗骨框架节点的几何形状及尺寸
表4－3给出了计算中所用的钢Q235的力学性能参数和在室温下损伤演化方程中的参数，其中HK是运动硬化模量，h是混合硬化因子。表4－3中给出的钢Q235的损伤演化参数由材料损伤实验的结果确定。
表4－3 Q235钢的力学和损伤性能参数
为了分析和比较多尺度方法的有效性，同时建立了狗骨框架节点的多尺度有限元模型与单一尺度模型，如图4.19所示。
节点所承受的模拟地震荷载分别考虑了水平与垂直方向的两种类型的荷载，“Load I”和“Load II”。“Load I”是在水平方向上的循环反向载荷，而“Load II”是在垂直方向并且根据ECCS（the European Convention for Constructional Steelwork——欧洲建筑钢结构协会）推荐的地震荷载模拟组合（ECCS推荐的循环测试荷载组合以模拟严重的地震作用）确定，其中位移加载条件的完整模式如下：
图4.19 狗骨节点有限元模型及边界约束与荷载作用
其中Δy是在单调载荷作用下当节点易损区域中最小宽度的翼缘部分进入塑性时框架的梁端处的位移值。
1.细观损伤演化对材料磁滞回线的影响
在模拟地震荷载作用下，狗骨框架的易损区域中发生的材料损伤演化直接导致了该区域的材料性能劣化，这种劣化可通过材料本构参数（如弹性模量、塑性硬化模量和应力－应变滞后环面积）的减小来显示。为了定量考察这种劣化效应，分析了狗骨框架在“Load I”作用下伴随着易损区域损伤演化过程中发生的材料本构特性的变化，其中在每个加载循环中荷载水平从0.85Fmax增加到Fmax（Fmax是导致该框架易损区域中的材料失效的荷载峰值）。通常在地震响应分析中，如果易损区域的累积塑性应变值达到0.15，则认为该构件已失去了承载能力。
图4.20给出了在相同循环荷载下分别考虑和忽略易损区域损伤演化来计算得到应力－应变滞后回线的结果及其比较，其中的实线是计算中考虑损伤演化的结果，而虚线是忽略易损局部中的损伤演化的结果。可以看出，由于易损局部的材料损伤演化引起了弹性模量和屈服应力的值显著减小，加大了塑性应变和性能劣化，尤其是积累塑性应变比忽略损伤演化时的结果大大增加。本构曲线的斜率变化表现出弹塑性刚度随损伤演化的进程发生了退化。由此可以得出结论，耦合损伤的材料本构方程可以反映材料刚度与强度的退化，损伤演化对材料滞后行为的影响给出了在地震荷载作用下钢框架发生大变形和逐渐失效现象的合理解释。
图4.20 循环荷载下分别考虑和忽略易损区域损伤演化计算得到应力－应变滞后回线
2.损伤分布及其演化过程
为了研究地震荷载作用下该狗骨框架构件的损伤行为和地震响应，分析了对该构件在“Load II”荷载下的构件损伤与响应，荷载“Load II”即根据ECCS加载程序的循环荷载（见图4.19和式（4－101））。分别由单一尺度和多尺度模型计算得到构件易损局部的损伤分布情况如图4.21所示。由图可以看出，损伤主要发生在脆弱区域，其程度与梁截面减小的程度成正比，并且使用两种不同的模型获得的结果是类似的。这表明损伤多尺度分析模型不仅可以在分析结构非线性响应和局部损伤时进行精细模拟，而且可以大大提高计算效率。
图4.21 狗骨框架节点易损区域的损伤分布（彩图见附录）
图4.22和图4.23分别给出了加载过程中梁腹板和翼缘上的损伤演化过程的进一步描述。在这两个图中，x坐标分别给出了在梁腹（图4.22）和翼缘（图4.23）的位置处的计算点，并且通过图4.22和图4.23中的小图表示出了相应的x轴在构件上的位置。从图4.22和图4.23可以看出，损伤演化的速度随着构件截面的减小而加速。在易损区域的最大缩减处的局部损伤累积到高值，这意味着可能发生局部失效和损伤逐渐蔓延，如果构件继续承载，则其刚度和抗震能力将逐步降低。在相同的荷载条件下，梁腹板（图4.22）和法兰（图4.23）的损伤率分别增加了85%和75%，这表明严重的局部损伤会大大加速构件抗震性能的劣化，然后导致构件失效。
图4.22 加载过程中梁腹板上的损伤演化过程
图4.23 加载过程中梁翼缘上的损伤演化过程
3.易损区域损伤演化对框架节点地震响应的影响
基于上述关于易损局部损伤分布的分析，进一步研究分布损伤的演化过程对构件地震行为和承载能力的影响，其中对动态应力和抗震性能的影响是通过考虑局部损伤演化计算的结果与忽略损伤演化的计算结果之间的比较来考察。
图4.24和图4.25分别给出了在加载结束时梁腹板和翼缘上的应力分布结果，分别考虑和忽略易损区域损伤演化来计算得到。在这两个图中，x坐标分别给出了在梁腹（图4.24）和翼缘（图4.25）的位置处的计算点，并且通过图4.24和图4.25中的小图表示出了相应的x轴在构件上的位置。由图4.24可见，考虑局部损伤演化计算得到的梁腹板上的有效应力与忽略局部损伤演化的计算结果相比增加了约7.5%。由图4.25可见，考虑局部损伤演化计算得到的梁翼缘上的有效应力与忽略损伤演化的计算结果相比，在远离削弱的区域几乎相同，然而在削弱区域局部损坏导致梁翼缘中心部分的有效应力增加了约4%。
图4.24 加载结束时梁腹板上的应力分布
图4.25 加载结束时梁翼缘上的应力分布
4.损伤对结构位移的影响
为了评估地震损伤导致的能量耗散和对位移等结构响应的影响，进一步分析梁端作用的垂直荷载与合力梁端位移曲线的变化规律。图4.26给出在考虑和忽略易损局部损伤演化的情况下计算的荷载－位移的计算结果的比较，其中实线曲线是考虑损伤演化的计算结果，而虚线为忽略损伤演化的计算结果。从如图4.26所示的滞回行为可以看出，局部损伤演化导致在相同位移条件下梁端部的作用力稍微减小，这表明部件的承载能力随着易损局部损伤程度的增加而削弱了。
此外，图4.27给出了在加载过程中节点承载能力变化曲线，其中梁端的归一化力PD／P0表示在考虑和忽略易损局部损伤演化的情况下计算得到的承载力之比。计算结果表明，当易损局部的累积塑性应变达到极限值时，局部损伤值将累积到0.12左右，该部件的承载能力相对于不考虑局部损伤的情况降低了近4%。必须指出，与图4.20中所示的应力应变磁滞回线相比，可以很容易地发现，由图4.26给出的局部损伤演化对结构承载行为的影响小于图4.20所示局部应力应变滞后行为的情况。这表明，对于受到具有高强度地震荷载的结构地震行为分析，局部损伤演化的影响可以忽略；然而，在结构承受中低强度的多个地震累发的情况下，局部损伤演化对结构响应带来的影响可能会积累起来，如果忽略这种影响则可能导致错误的分析结果。
图4.26 在考虑和未考虑易损局部损伤演化的情况下计算的荷载－位移的计算结果的比较
图4.27 损伤演化过程中节点承载能力变化曲线
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