构件受力后，钢筋和混凝土之间有相对滑移趋势时，产生摩阻力。这个过程就是钢筋混凝土粘结界面的损伤演化过程。现行钢混结构设计理论大多是基于平截面假定进行的，这隐含着钢筋和混凝土这两种性质截然不同的材料粘结良好，以确保二者变形协调。保障钢筋和混凝土的粘结良好是确保钢混结构安全的重要条件之一。图2.44钢筋与混凝土粘结失效引发的结构破坏......
2023-08-26
混凝土结构损伤模拟与分析
【摘要】：图7.7框架结构顶点处A的力与位移的模拟与试验结果对比由图7.7可见，应用结构损伤多尺度跨层次自适应模拟与分析方法计算得到的框架结构在模拟地震荷载下的响应，包括结构顶点位移、反力和滞回曲线与试验结果也有一定程度的吻合。因此，此后的损伤已属于构件层次损伤。所发展的结构损伤多尺度跨
为了说明前述的结构损伤多尺度跨层次自适应模拟算法可以以较小的计算代价从细观尺度开始模拟混凝土结构的损伤多尺度、跨层次演化过程，这里以一个混凝土框架结构实验试样［35］为分析案例，用前述的理论和算法分析了其在地震荷载作用下的结构损伤多尺度跨层次演化过程。并将模拟结果与实验结果对比，验证所发展算法的有效性。
混凝土框架结构实验试样的原型［35］如图7.4（a）所示，结构承受的模拟地震荷载为循环位移控制荷载（如图7.4（b）所示），图7.4（c）中的曲线A，B，C分别为在图7.4（a）给出的结构试样上的测点A，B，C位置处施加的位移控制荷载。此外，在框架结构的顶部分别用两个千斤顶A和B施加作用力F与2F，其中F＝163kN。
众所周知，框架结构中与地基连接的柱在地震作用下的行为，决定了整个结构在地震作用下的承载能力；一旦这些支撑柱失效，将会导致梁柱节点的失效，引起整个结构的倒塌。因此，在此框架结构的初始有限元模型中，选取结构中与地基连接的柱以及梁柱节点作为结构易损部位进行精细化建模，由此建立的结构初始模型如图7.4（c）所示。
应用前面介绍的结构损伤多尺度跨层次自适应模拟与分析方法对此框架结构损伤演化致结构失效的过程进行分析，结构试样在不同荷载循环下的损伤演化状态模拟结果如图7.5所示。从损伤过程的模拟，可以观察到框架结构从开始仅在易损局部有材料层次上的细观损伤，到构件层次上的局部宏观失效，最后到结构整体丧失承载能力导致的结构失效这个跨尺度演化过程。在荷载循环到N＝25时（见图7.5（a）），一层右中柱节点区左上角开始发生损伤演化，循环27次以后（见图7.5（b）），一层左边柱节点也开始发生损伤演化，且两个节点处的损伤演化区域越来越大，到循环次数为N＝32次（见图7.5（c））和41次（见图7.5（d））时，两个节点上部的所有单元都进入损伤演化区域，同时在柱根部发生局部失效，如图7.5（d）所示的柱根部损伤状态图中，白色区域表示的是完全损伤后被删除的单元。
图7.4 混凝土框架结构试样分析案例
图7.5 框架结构试样在不同荷载循环后的损伤演化模拟结果（彩图见附录）
图7.6给出损伤模拟结果与实验结果［35］的对比。由图7.6（a）可见，当N＝32时一层右中柱脚、节点区混凝土的局部破坏加剧，对比试验中在此时观察到的现象，柱脚保护层混凝土几乎完全剥落，纵筋压曲，箍筋露出；由图7.6（b）可见，当N＝41时一层右中柱柱脚混凝土发生剥落（呈白色的单元为完全损伤被删除，相对于混凝土剥落）；而试验观察到此时该柱脚混凝土纵筋明显外鼓，柱身明显错位。此时结构已呈危险状态，濒临倒塌。图7.5和图7.6给出的损伤模拟结果，说明了数值分析得到的试样损伤状态与实验现象基本吻合，尤其是在荷载作用的末期。
图7.6 框架结构损伤模拟与实验结果对比（彩图见附录）
结构关键梁柱节点的损伤必然导致框架结构响应与力学性能的变化，为了进一步验证数值模拟获得的框架结构的响应与相应实验结果的吻合度，将图7.4中框架结构顶点处A的力与位移的数值模拟结果与相关试验结果也进行了对比，如图7.8所示。
图7.7 框架结构顶点处A的力与位移的模拟与试验结果对比
由图7.7可见，应用结构损伤多尺度跨层次自适应模拟与分析方法计算得到的框架结构在模拟地震荷载下的响应，包括结构顶点位移、反力和滞回曲线与试验结果也有一定程度的吻合。这表明，所发展的结构损伤多尺度跨层次自适应模拟与分析方法不仅能够很好地描述结构损伤多尺度跨层次的演化过程，同时也能够较好地模拟结构损伤后的力学响应。
综合分析损伤数值模拟结果和相关的试验现象，可以发现：此类框架结构的损伤演化经历了从开始仅在易损局部有材料层次上的细观损伤，到构件层次上的宏观损伤和局部破坏，最后到结构整体失效这个多尺度跨层次演化过程。其中，此案中材料层次到构件层次的转折大致发生于循环N＝27附近，此时的转折临界表现为柱节点已显著削弱（见图7.5（b）），试验观测也发现此时边柱和中柱柱脚混凝土有明显压酥现象，边节点区、中节点区混凝土有明显剥落，这必然导致相关柱的抗弯性能下降。因此，此后的损伤已属于构件层次损伤。损伤从构件层次到结构层次的转折大致发生于循环N＝32附近，此时的转折临界表现为，一层右中柱脚、节点区混凝土发生局部破坏（（见图7.5（c）），试验观测也发现此时柱脚保护层混凝土几乎完全剥落，纵筋压曲，箍筋露出，此后继续加载时结构发出响声，这意味着相关构件已几乎发生破坏，导致了框架结构的性能发生显著劣化。综上所述，在该案例结构经历的损伤演化过程中，材料层次损伤、构件层次损伤及结构层次损伤大致划分如图7.7（b）、（c）中所示。当然上述层次转折也只是一个大致的划分，严格地说，受各种因素影响，损伤层次之间的转折很难说是一个确定的状态点，也可能是一个模糊的区间。
必须指出的是，由于本案例的结构形式较为简单，关键构件（一层右中柱）的破坏就直接导致了框架结构的失效。因此，本案例损伤跨层次演化过程中的构件层次损伤与结构层次损伤的界限就不是很清晰，不像复杂构形的结构那样，可能存在当某一构件破坏后结构内力重分配、存在多种失效路径和失效模式的情况。对于复杂结构，由于结构损伤多尺度跨层次演化诱致失效过程的试验难以进行，应用多尺度损伤数值模拟实验的方式探讨其损伤演化后的结构失效路径与模式则是可预期的。从上述研究工作至少已经可得到如下结论：
（1）利用所发展的结构损伤多尺度跨层次的自适应模拟算法，可模拟含有初始缺陷的混凝土结构损伤跨尺度演化过程，算法可以在整个计算过程中自动识别结构在荷载作用下产生的损伤演化的区域，并在该区域进行细观损伤模拟，同时当损伤在结构中蔓延至不同尺度、不同层次区域的边界处时，该边界会自动向结构单元的子域方向移动。
（2）利用所发展的结构损伤多尺度跨层次的自适应模拟算法，对混凝土框架结构在地震荷载作用下的损伤多尺度跨层次演化导致结构失效过程的案例分析表明，损伤演化的数值模拟结果与试验结果吻合较好，由此可基本验证所发展算法的可靠性。
（3）所发展的结构损伤多尺度跨层次自适应模拟与分析方法可以以较少的计算代价模拟混凝土结构从材料层次上的细观损伤演化到关键构件的局部破坏，再到整体结构失效这个多尺度、跨层次演化过程。该方法不仅能够很好地揭示结构损伤多尺度跨层次演化过程中的层次上升机理，同时也能较好地模拟结构损伤后的力学响应。
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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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