全局性能水准与构件局部损伤状态相关性研究

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

基于性能的基础隔震结构地震易损性分析

对基础隔震结构进行基于性能的易损性分析。首先,建立了基础隔震结构基于拟力法的能量方程,提出基于变形和隔震层塑性耗能的损伤指标,定义隔震结构的四个损伤性能状态;然后,对隔震结构进行动力非线性分析,计算得到两种损伤指标的损伤值;最后,对损伤值进行线性统计回归分析,推导出结构发生各级破坏的概率计算公式,从而分别得到隔震结构基于两种损伤指标的易损性曲线。研究表明,基于隔震层塑性耗能的损伤指标更能合理反映该结构的损伤程度,为基于性能的隔震结构易损性分析提供了新的思路和方法。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅰ.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、侧向位移的分布和单元应力应变曲线。本文运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、侧向位移和单元应力应变曲线的影响,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及侧向位移的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时,塑性等效应变图案为上下两个X形网络,侧向位移上下分布均匀;当接触面摩擦增大时,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增大,侧向位移上下分布不均匀,中部较上下端面位移大;当试件端面侧向位移被限制,即摩擦力很大时,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带,侧向位移分布更加不均匀,中部明显隆起。     

哈大客运专线沈阳高铁站弹塑性时程分析

以哈大客运专线沈阳站为工程背景,对该结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。通过SAP2000有限元软件研究结构的动力特性、变形状况、基底剪力时程曲线,分析了框架梁、柱的塑性损伤发展历程、拱桁架的塑性铰出铰机制以及关键框架梁、柱构件的塑性损坏状态。结果表明:结构在7度罕遇地震作用下基底剪力与多遇地震下比值最大为5.69;框架梁的损伤比框架柱严重,已进入"极限承载力"状态,仅有少量框架柱进入塑性变形阶段,结构满足"强柱弱梁"的设防要求;关键梁、柱构件损坏程度为79%和68%,仍有较大的富余度。结构薄弱区集中在顶层商业层区域,由于屋面和框架柱的连接效应,柱顶率先出现塑性铰,致使顶层位移角增大。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:I.一维解析解

基于热力学第一定律和非局部塑性理论,提出了一种求解应变局部化问题的非局部方法.对材料的每一点定义了局部和非局部两种状态空间,局部状态空间的内变量通过非局部权函数映射到非局部空间,成为非局部内变量.在应变软化过程中,局部状态空间中的塑性变形服从正交流动法则,材料的软化律在非局部状态空间中被引入.通过两个状态空间的塑性应变能耗散率的等效,得到了应变软化过程中明确定义的局部化区域以及其中的塑性应变分布.应用本方法导出了一维应变局部化问题的解析解.解析解表明,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关;对于高斯型非局部权函数,局部化区域的尺寸大约是材料内尺度的6倍.一维算例表明,局部化区域的塑性应变分布以及载荷-位移曲线仅与材料参数和结构几何尺寸有关,变形局部化区域的尺寸随着材料内尺度的减小而减小,同时塑性应变也随着材料内尺度的减小变得更加集中.当内尺度趋近于零时,应用本文方法得到的解与采用传统的局部塑性理论得到的解相同.     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅱ.有限元解法

以非局部塑性理论为基础,应用状态空间理论,通过局部和非局部两个状态空间的塑性能量耗散率等效原理,提出了一种求解应变局部化问题的新方法,以得到与网格无关的数值解.针对二维问题的屈服函数和流动法则导出了求解非局部内变量的一般方程,并提出了在有限元环境中求解应变局部化问题的应力更新算法.为了验证所提出的方法,对1个一维拉杆和3个二维平面应变加载试件进行了有限元分析.数值结果表明,塑性应变的分布和载荷-位移曲线都随着网格的变小而稳定地收敛,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关,而对有限元网格的大小不敏感.对于一维问题,当有限元网格尺寸减小时,数值解收敛于解析解.对于二维剪切带局部化问题,数值解随着网格尺寸的减小而稳定地向唯一解收敛.当网格尺寸减小时,剪切带的宽度和方向基本上没有变化.而且得到的塑性应变分布和网格变形是平滑的.这说明,所提方法可以克服经典连续介质力学模型导致的网格相关性问题,从而获得具有物理意义的客观解.此模型只需要单元之间的位移插值函数具有C~0连续性,因而容易在现有的有限元程序中实现而无需对程序作大的修改.     

地铁车站增量动力分析的极限状态判定方法

表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态.本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角作为特征指标.以上海某多层地铁车站为背景,建立了土-结构二维有限元模型,采用增量动力分析法研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

LIMIT STATE DETERMINATION FOR A SUBWAY STATION STRUCTURE BY INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS1)

-5 表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态. 本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角 作为特征指标. 以上海某多层地铁车站为背景,建立了土--结构二维有限元模型,采用增量动力分析法 研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角 的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

联合极限状态下基于最大熵可靠度的易损性分析

考虑工程需求参数(EDP)的前四阶矩,提出基于最大熵可靠度理论的地震易损性分析方法.基于SAP2000建立钢筋混凝土框剪模型,选择最大层间位移角和最大层加速度衡量结构的联合性能极限状态,建立极限状态方程.不对EDP的分布进行人为假定,在不同峰值加速度(PGA)下计算两种EDP的前四阶矩,并作为约束条件,建立极限状态方程...     

含缺陷的固支梁受冲击载荷作用的实验研究

本文报导了含缺陷的固支梁受圆柱形飞射物撞击的实验过程和实验结果,分析和讨论了输入能量、切口深度、质量比等参数对非完善梁塑性动力响应特性的影响。     

基于β-二项分布的结构易损性分析

易损性曲线建立过程中受激励不确定性和结构参数不确定性的影响,会引起结构或构件观测结果的统计相关性。为此,本文提出基于β-二项分布的结构易损性分析方法。该方法根据性能量化指标阈值和Monte Carlo模拟确定震后观测结果,采用β-二项分布探讨震后观测值的统计相关性;结合对数回归模型,推导了改进β-二项分布的累积分布函数,计算结构失效概率;通过累积对数正态分布拟合易损性曲线,比较了观测失效样本数与观测失效概率统计相关性对易损性的影响,并与未考虑统计相关性的传统易损性曲线作对比。某8层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的算例表明,考虑统计相关性的易损性较传统易损性偏大,且结构遭受8度以上地震作用时,考虑失效样本数统计相关性的易损性使预测结果更为保守,利于工程安全。     

Development of the large increment method for elastic perfectly plastic analysis of plane frame structures under monotonic loading

The displacement-based finite element method dominates current practice for material nonlinear analysis of structures. However, there are several characteristics that may limit the effectiveness of this approach. In particular, for elastoplastic analysis, the displacement method relies upon a step-by-step incremental approach stemming from flow theory and also requires significant mesh refinement to resolve behavior in plastic zones. This leads to computational inefficiencies that, in turn, encourage the reconsideration of force-based approaches for elastoplastic problems.One of these force algorithms that has been recently developed is the large increment method. The main advantage of the flexibility-based large increment method (LIM) over the displacement method is that it separates the global equilibrium and compatibility equations from the local constitutive relations. Consequently, LIM can reach the solution in one large increment or in a few large steps, thus, avoiding the development of cumulative errors. This paper discusses the extension of the large increment methodology for the nonlinear analysis of plane frame structures controlled by an elastic, perfectly plastic material model. The discussion focuses on the power of LIM to handle these nonlinear problems, especially when plastic hinges form in the frame and ultimately as the structure approaches the collapse stage. Illustrative planar frame examples are presented and the results are compared with those obtained from a standard displacement method.     

基于易损性与冗余度分析的构件重要性评价方法

为合理评价构件在结构中的重要性，以构件材料的弹性模量为基本参数，并考虑构件刚度变化产生的影响，基于构件应变能对材料弹性模量的敏感性，建立了构件冗余度及其易损性评价指标，以衡量构件的脆弱性和冗余特性。在此基础上将构件的重要性指标定义为构件易损性系数与冗余度系数的比值，实现构件重要性的分类量化。结果表明，采用的构件重要性评价指标能正确反映构件在结构中的重要性，重要性系数高的构件为结构的高易损-低冗余构件，是结构的关键部位和薄弱环节所在，其失效后对结构整体性能的影响较大。加强高易损-低冗余关键构件对于提高结构的整体性能和抗连续倒塌的能力具有重要作用。     

激光刻痕聚丙烯塑料失效破坏的参数识别

采用等效截面积法建立了激光加工微孔的有限元模型及带激光刻痕聚丙烯塑料板的冲击模型,并 通过参数识别方法确定了材料的失效应变。通过极差分析得出该塑料材料的冲击断裂强度随撕裂线直径的 增大而增大,随冲击速度的增大而减小。这与实验结果一致。     

考虑材料拉压异性的固支圆板塑性极统一解

本文采用最新的统一强度理论求出了固支圆板的塑性极限荷载,内力场及速度的统一解;得出了强度理论参数b及材料的不同拉压比α对塑性极限的影响曲线,所给出的解可以灵活地适用于各种不同特性的材料及机械、土木、航空等工程的相关结构中,文献中已有的Tresca解,Mises解和双剪统一屈服准则解均为本文的特例,本文的统一解还给出了一系列新的结果,统一解大于Tresca,Mohr-Coulomb的单剪理论解,它可以更好地发挥材料的强度潜力,工程应用可以取得明显的经济效益。     

A model of fracture in reinforced concrete arches based on lumped damage mechanics

A simplified model of cracking and damage in RC circular elements is proposed. The model can be used for the structural assessment of arches and rings. The constitutive equations are based on lumped damage mechanics which is an adaptation of fracture and continuum damage mechanics to the theory of frames with plastic hinges. An arch element is assumed to be the assemblage of an elastic circular component and two inelastic hinges where the main inelastic effects, plastic yielding of the longitudinal reinforcement and concrete cracking, are concentrated. Deformations in the elastic part are assumed to be small but the model may include some geometrically nonlinear effects due to large displacements or rotations of the hinges. The numerical examples presented in the paper show that the model describes correctly the global behavior of two structures including the softening phase.