基于應變能密度的砌體剪力墻失效機理研究項目摘要

目前配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)尚未建立準確可靠的失效判定準則。為此，本項目基于能量原理，建立配筋砌體剪力墻應變能密度分布狀態(tài)的數(shù)值模式，探索該數(shù)值模式與失效荷載之間的關(guān)系，從而建立基于結(jié)構(gòu)能量分布狀態(tài)的結(jié)構(gòu)失效判定準則。首先，以配筋砌體剪力墻足尺試驗的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析結(jié)構(gòu)應變能密度數(shù)值模式隨荷載幅值的變化規(guī)律，尋求表現(xiàn)此數(shù)值模式狀態(tài)的參數(shù)；然后分析所建立參數(shù)與結(jié)構(gòu)失效荷載之間的關(guān)系；進而建立結(jié)構(gòu)的失效判定準則；最后應用有限元分析軟件模擬不同荷載工況來驗證和完善所建立的結(jié)構(gòu)失效判定準則。本項目從結(jié)構(gòu)應變能密度分布視角，發(fā)展的結(jié)構(gòu)分析方法和結(jié)構(gòu)失效判定準則，將豐富結(jié)構(gòu)的分析理論與方法、對完善相應結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范有重要參考價值。

配筋砌塊砌體剪力墻較之鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在節(jié)能減排方面有著明顯的優(yōu)勢，因此對配筋砌塊砌體剪力墻的研究有著較好的前景。本項目基于結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)研究配筋砌塊剪力墻的失效機理。以配筋砌塊剪力墻在低周往復荷載作用下的受力性能試驗為基礎(chǔ)，提出基于應變能密度的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)參數(shù)并建立了參數(shù)與外荷載之間的關(guān)系。提出開裂荷載、失效荷載及極限荷載包絡(luò)線的概念并給出相應的計算公式，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)參數(shù)與外荷載關(guān)系曲線，分別建立了彎曲破壞和剪切破壞配筋砌塊剪力墻基于受力狀態(tài)的失效判定準則，與試驗結(jié)果的對比分析表明該準則能準確有效的預測配筋砌塊剪力墻的開裂、失效和極限荷載。于此同時，基于結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的理論和研究方法也能應用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等其他不同類型的構(gòu)件，所以該準則的提出為剪力墻結(jié)構(gòu)的分析提供了一種全新的分析方法，同時該方法也可以在將來應用于構(gòu)件的健康監(jiān)測等方面的應用中。 2100433B

混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機理是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域極為關(guān)注的關(guān)鍵科學問題之一。項目開展了損傷演化規(guī)律試驗研究、塑性-損傷模型構(gòu)建和鋼筋混凝土仿真程序開發(fā)三部分研究。（1）通過混凝土加載試驗，測量了應力-應變曲線，獲得了混凝土斷裂能以及各次循環(huán)的累積耗散能密度、剛度模量、殘余應變以及卸載終點剛度等物理量。基于損傷變量、耗散能量比、有效應力、塑性應變等物理量，提出了基于有效應力空間描述的損傷演變與塑性流動法則，建立了損傷演化規(guī)律的數(shù)學表述。（2）建立了考慮網(wǎng)格尺寸影響的混凝土塑性-損傷耦合模型。包括：提出了高效穩(wěn)定的有效應力與塑性應變迭代算法，保證了計算的求解精度和魯棒性；基于Bazant鈍斷裂帶理論，提出了不依賴于網(wǎng)格尺寸的損傷評價指標，解決了結(jié)構(gòu)響應和損傷指標的網(wǎng)格尺寸敏感性問題；創(chuàng)新了滯回行為的模擬方法，構(gòu)造了非線性應力路徑上損傷因子的高效迭代算法。采用項目提出的損傷因子等效方法，仿真計算獲得的荷載-撓度響應與試驗結(jié)果吻合程度高，并且不同網(wǎng)格尺寸得到的加卸載曲線相互接近，解決了網(wǎng)格敏感性問題。采用等效損傷因子評估模擬切口梁試驗，不同離散網(wǎng)格獲得了相近的損傷狀態(tài)評估，表明等效損傷因子可以作為評價混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的指標。（3）綜合混凝土塑性-損傷模型和鋼材的隨動強化本構(gòu)模型，開發(fā)了鋼筋混凝土、鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的仿真分析程序。通過模擬鋼管混凝土構(gòu)件實踐，計算得到的構(gòu)件響應與試驗結(jié)果吻合良好；采用子模型理論建立了分析復雜混凝土結(jié)構(gòu)損傷機理的研究方法，有效模擬了強震作用下帶加強層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的非線性損傷過程。項目的研究成果能夠更精準地模擬混凝土的損傷破壞行為，解決了仿真分析中網(wǎng)格尺寸導致的敏感性問題，并成功應用于分析復雜混凝土結(jié)構(gòu)的地震彈塑性分析。因此，研究成果可為復雜混凝土結(jié)構(gòu)非線性損傷機理研究提供有效的數(shù)值計算方法。 2100433B

混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機理是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學問題之一。項目擬從能量耗散觀點分析混凝土結(jié)構(gòu)的失效機理，綜合應用試驗方法與仿真技術(shù)，進行損傷規(guī)律試驗研究、塑性-損傷模型開發(fā)和結(jié)構(gòu)仿真分析三項研究工作。首先，開展混凝土試驗測量應力-應變曲線，探索基于能量耗散機制并反映多軸應力狀態(tài)影響的損傷演化規(guī)律。然后，開發(fā)模擬滯回行為的塑性-損傷模型，分析網(wǎng)格尺寸對損傷因子定義的影響，探尋不依賴網(wǎng)格尺寸的損傷評價指標，研究基于特征循環(huán)的高周疲勞加速算法，建立低周、高周疲勞通用本構(gòu)模型。最后，應用用戶自定義子程序在ABAQUS程序嵌入塑性-損傷模型，并結(jié)合嵌入式鋼筋有限元方法，構(gòu)建鋼筋混凝土仿真分析程序。運用子模型理論，探討復雜混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機理的快速分析方法，為完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論提供有益的建議。

蒙皮應變監(jiān)測是臨近空間巨型柔性浮空器健康監(jiān)測的重要組成部分，對臨近空間浮空平臺的安全運行起到預警作用，而國內(nèi)外尚無成熟的在線監(jiān)測方法。已有的蒙皮在線監(jiān)測系統(tǒng)大多采用電阻應變片或者壓電材料等電測法，在實際應用中還存在一定不足。本項目以臨近空間巨型柔性浮空器蒙皮作為研究對象，通過表面粘貼式光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術(shù)，對蒙皮應變監(jiān)測的理論方法進行研究。具體內(nèi)容包括：建立粘貼式FBG普適結(jié)構(gòu)應變傳遞理論模型；在普適模型的基礎(chǔ)上分別建立蒙皮軸向大應變、平面應變及彎曲應變下粘貼式FBG應變傳遞理論模型；綜合三種理論模型建立蒙皮組合應變下粘貼式FBG傳感器應變傳遞理論模型；通過蒙皮應變監(jiān)測試驗驗證所獲得的應變傳遞理論模型。本項目旨在揭示用于蒙皮應變監(jiān)測的粘貼式FBG應變傳遞機制，為臨近空間巨型柔性浮空器蒙皮健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。