在极端荷载作用下，钢结构中处于高应力区的连接节点会发生塑性变形同时伴以损伤演化。对于这类塑性损伤问题，Lemaitre损伤演化律可用于描述地震荷载下的塑性损伤行为和损伤动力学本构关系。损伤耗散势函数可以表示为：其中S是与损伤耗能强度相关的材料常数。塑性损伤演化的结果导致材料性能劣化，材料损伤后的本构关系亦随损伤演化而改变。因此，损伤后材料本构关系须由方程和方程决定的塑性损伤耗散势与塑性本构关系耦合而成。......
2023-08-26
混凝土柱地震荷载下损伤演化模拟与分析
【摘要】：第二个案例是在模拟地震荷载下混凝土柱的损伤演化致失效分析。图6.38混凝土柱试样［36］图6.39试验中施加的荷载谱应用前述的损伤演化致失效的跨尺度自适应模拟与分析方法对如图6.38所示的混凝土柱试样在试验模拟的地震荷载作用下的跨尺度损伤演化过程进行模拟，模拟结果见图6.40。通过将所模拟的混凝土柱在模拟地震荷载下的损伤演化过程的数值结果与实验结果进行对比，表明数值模拟结果与实验结果吻合较好，表明所发展的算法是可靠的。
第二个案例是在模拟地震荷载下混凝土柱的损伤演化致失效分析。在钢混建筑结构中，混凝土柱是主要承力构件，其损伤失效将直接导致结构坍塌。为探讨混凝土结构地震损伤与失效机理，清华大学陆新征教授团队完成混凝土框架结构及其关键构件混凝土柱在地震荷载作用下的倒塌实验［35，36］。这里就以实验中的混凝土柱试样作为分析案例，用所发展的结构损伤多尺度分析方法模拟混凝土柱在试验荷载作用下的损伤演化与失效过程，并与实验结果进行对比。如图6.38所示，混凝土柱试样的尺寸为：200mm×200mm×85mm。试验中的加载方式为：首先采用水平力控制加载，所加水平荷载依次为10，20，30kN，各级荷载循环一圈，此后以水平位移控制加载，所加水平位移依次为10，15，20，25，30，36.5，45，55mm，各级位移荷载循环两圈［36］。上述试验荷载的荷载谱如图6.39所示，其中N为当前荷载循环，Nf为失效时荷载循环。
图6.38 混凝土柱试样［36］
图6.39 试验中施加的荷载谱
应用前述的损伤演化致失效的跨尺度自适应模拟与分析方法对如图6.38所示的混凝土柱试样在试验模拟的地震荷载作用下的跨尺度损伤演化过程进行模拟，模拟结果见图6.40。图中同时给出了在加载末期（N／Nf＝29／38、33／38和1）时的试验结果。
由图6.40可见，在模拟地震荷载作用的初期（N／Nf＝7／38、15／38），混凝土柱根部尚未开始损伤，构件的响应可以用初始宏观单元模拟；此后柱根部开始发生损伤演化，发生损伤演化部位处的宏观单元自动转变为细观尺度单元，随着损伤演化区域在根部逐渐扩大，更多的宏观单元转为细观损伤演化模拟单元，到荷载末期（N／Nf＝29／38、33／38和1），混凝土柱下部约柱长四分之一区域的两侧已经全部转为细观损伤演化单元，同时在两侧发生了局部单元失效，失效单元被删除后在图中显示为白色（表示此处为空白）。与荷载末期（N／Nf＝29／38、33／38和1）的试样损伤和局部破坏状态比较，模拟得到的局部破坏状态是很相似的。
图6.40 混凝土柱损伤模拟与试验结果对比（彩图见附录）
图6.41给出了通过数值模拟所获得的加载点的水平力与位移曲线，并与实验结果对比。由该图可以看到，混凝土柱宏观力学响应的模拟结果与实验结果也是很相似的。图6.40与图6.41的结果表明，采用损伤演化致失效的跨尺度自适应分析方法获得的数值模拟结果与实验结果是相符合的，这证明所发展的跨尺度自适应模拟算法是有效的。
图6.41 加载点水平力与位移的模拟与试验结果对比
综上所述，混凝土构件损伤跨尺度演化过程的自适应多尺度模拟与计算方法，首先是建立在基于混凝土材料细观构造图像的细观模型基础上，以确保能准确描述混凝土内部真实的非均匀细观构造及先天缺陷引发的细观损伤演化过程。其次是损伤跨尺度演化的自适应模拟算法，用以确保在非损伤演化区域采用宏观尺度分析，在损伤演化区域采用细观分析，一旦宏观分析区域发生损伤演化，即自动在损伤演化部位植入细观模型，从而可以较低计算代价模拟混凝土损伤跨尺度演化过程。研究结果表明：
（1）对混凝土细观损伤演化的数值模拟不仅可以很好地描述混凝土宏观力学性能的退化行为，同时可描述从混凝土细观损伤跨尺度演化发展到宏观断裂的过程，可以更好地阐释混凝土的损伤与失效机理，这是在单一宏观尺度中的数值模拟所不能体现的。
（2）所发展的混凝土损伤自适应多尺度算法可自动识别构件在荷载作用下新增的损伤演化部位，并自动在该部位进行细观建模。通过将所模拟的混凝土柱在模拟地震荷载下的损伤演化过程的数值结果与实验结果进行对比，表明数值模拟结果与实验结果吻合较好，表明所发展的算法是可靠的。
（3）在混凝土细观损伤演化的数值模拟中，为考虑骨料与基体之间界面层的真实厚度而发展了多重网格自适应多尺度算法；据此模拟得到的混凝土损伤演化结果与忽略骨料与基体之间界面层真实厚度的数值模拟相比，两者之间存在不同的损伤演化与失效路径。这说明在模拟混凝土细观损伤演化的过程中，考虑具有微观尺度数量级的骨料与基体之间界面层真实厚度是十分必要的。
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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2023-08-26
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