基于能量耗散机制的混凝土结构失效机理研究

The damage-induced failure mechanism of concrete structure is one of the key issues demanding prompt solution in structural engineering. From the viewpoint of energy dissipation,experimental and numerical methods are utilized to discover the damage behavior of concrete structure, including concrete tests for the evolutionary rule of damage, the development of plastic-damage model and the implementation of numerical procedure for concrete structures. Firstly, the stress-strain relations obtained by concrete tests are used to discover the damage rule which also accounts for the influence of multi-axial stress by introducing lateral pressure. Secondly, a plastic-damage model is developed to model the stiffness degradation, irrecoverable deformation and hysteretic behavior of concrete under cyclic loading. The damage factor is modified to account for the effect of mesh size and an objective index is found to estimate the damage degree of concrete structure. An algorithm based on characteristic load cycle is established to expand the application of the plastic-damage model from low-cycle fatigue to high-cycle one. Finally, a numerical procedure is devedoped using the above-mentioned model and embeded-reinforcement method. Utilizing the submodel theory, a new method is proposed to research the damage mechanism of complicated concrete structures and the studies will provide beneficial proposals on improving their design theory.

混凝土结构损伤失效机理是结构工程领域亟待解决的关键科学问题之一。项目拟从能量耗散观点分析混凝土结构的失效机理，综合应用试验方法与仿真技术，进行损伤规律试验研究、塑性-损伤模型开发和结构仿真分析三项研究工作。首先，开展混凝土试验测量应力-应变曲线，探索基于能量耗散机制并反映多轴应力状态影响的损伤演化规律。然后，开发模拟滞回行为的塑性-损伤模型，分析网格尺寸对损伤因子定义的影响，探寻不依赖网格尺寸的损伤评价指标，研究基于特征循环的高周疲劳加速算法，建立低周、高周疲劳通用本构模型。最后，应用用户自定义子程序在ABAQUS程序嵌入塑性-损伤模型，并结合嵌入式钢筋有限元方法，构建钢筋混凝土仿真分析程序。运用子模型理论，探讨复杂混凝土结构损伤失效机理的快速分析方法，为完善混凝土结构设计理论提供有益的建议。

混凝土结构损伤失效机理是结构工程领域极为关注的关键科学问题之一。项目开展了损伤演化规律试验研究、塑性-损伤模型构建和钢筋混凝土仿真程序开发三部分研究。.（1）通过混凝土加载试验，测量了应力-应变曲线，获得了混凝土断裂能以及各次循环的累积耗散能密度、刚度模量、残余应变以及卸载终点刚度等物理量。基于损伤变量、耗散能量比、有效应力、塑性应变等物理量，提出了基于有效应力空间描述的损伤演变与塑性流动法则，建立了损伤演化规律的数学表述。.（2）建立了考虑网格尺寸影响的混凝土塑性-损伤耦合模型。包括：提出了高效稳定的有效应力与塑性应变迭代算法，保证了计算的求解精度和鲁棒性；基于Bazant钝断裂带理论，提出了不依赖于网格尺寸的损伤评价指标，解决了结构响应和损伤指标的网格尺寸敏感性问题；创新了滞回行为的模拟方法，构造了非线性应力路径上损伤因子的高效迭代算法。采用项目提出的损伤因子等效方法，仿真计算获得的荷载-挠度响应与试验结果吻合程度高，并且不同网格尺寸得到的加卸载曲线相互接近，解决了网格敏感性问题。采用等效损伤因子评估模拟切口梁试验，不同离散网格获得了相近的损伤状态评估，表明等效损伤因子可以作为评价混凝土结构损伤状态的指标。.（3）综合混凝土塑性-损伤模型和钢材的随动强化本构模型，开发了钢筋混凝土、钢管约束混凝土结构的仿真分析程序。通过模拟钢管混凝土构件实践，计算得到的构件响应与试验结果吻合良好；采用子模型理论建立了分析复杂混凝土结构损伤机理的研究方法，有效模拟了强震作用下带加强层框架-核心筒结构的非线性损伤过程。.项目的研究成果能够更精准地模拟混凝土的损伤破坏行为，解决了仿真分析中网格尺寸导致的敏感性问题，并成功应用于分析复杂混凝土结构的地震弹塑性分析。因此，研究成果可为复杂混凝土结构非线性损伤机理研究提供有效的数值计算方法。