地震作用下高拱坝损伤开裂分析

采用应变率相关的砼非线性损伤模型模拟拱坝横缝,研究了砼非线性本构情况下整体拱坝与考虑分缝拱坝的应力响应和损伤开裂的特点与差别。对实际拱坝的地震响应分析表明,基于非线性砼模型的整体拱坝动力响应模型可以基本反映拱坝的实际应力分布情况。     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

高水位运行下近水面水下爆炸对拱坝结构的影响

为预测近水面水下爆炸作用下拱坝结构的动态响应和损伤,基于有限元程序Abaqus/Explicit,采用声学介质描述库水,并采用拱坝-地基-库水系统有限元模型,考虑键槽作用的两种极端情况(完好和失效)及混凝土的受拉、受压损伤,假设50kg当量TNT炸药爆炸距离大坝迎水面水平距离为10m,对某133m高的薄拱坝进行了持时1s的显式动力时程分析.计算结果表明:靠近爆炸源的坝段径向加速度响应峰值大于其它坝段1倍以上,键槽失效情况下3号坝段向上游方向的位移峰值比键槽完好情况时大28%,键槽是否正常工作会影响大坝各坝段之间的动力响应传递,导致坝体损伤发展的差异;坝体损伤范围比较集中,0.3s 后损伤发展基本完成,坝面不会出现大面积的宏观断裂破坏;键槽失效时,3号坝段底部下游两侧混凝土可能破坏,可考虑在拱坝横缝上配置跨缝钢筋作为键槽失效情况的安全储备.     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型中损伤因子的率相关性及实现方法

ABAQUS程序中最常用的混凝土损伤塑性（concrete damage plasticity, CDP）模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP（modified CDP,MCDP）模型。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。     

混凝土率型内时损伤本构模型

混凝土是一种典型的率敏感材料,为了更好地描述混凝土结构在动力、冲击荷载作用下的强度和变形特征,本文结合内时理论和损伤理论建立了一种考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型。该模型的特点:将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。前者由内时理论来描述,这使该模型摆脱了一般弹塑性模型中屈服面的概念,从而更符合混凝土的变形特性,并且简化了非线性计算过程;后者由损伤理论来描述,根据混凝土的动力试验结果建立了增量型的损伤演变方程,从而使该模型能够较好地反映混凝土的动力特性。最后,应用本文建议的模型对一钢筋混凝土简支梁进行了非线性分析,结果表明:当结构承受快速荷载作用时,应变率对结构的受力性能影响较大,在进行结构分析时必须予以考虑。     

大岗山高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

采用连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念,将混凝土强度降低、刚度劣化即损伤作为不可逆内变量张量,并考虑应变率效应和多轴应力状态,建立率相关弹塑性损伤模型.应力本构积分采用返回映射法,给出了有限元程序主要功能流程.对强地震作用下大岗山高拱坝损伤和破坏情况进行数值模拟,评价其强震后的安全性.结果显示,大坝在强震后总体损伤不大,结构安全性较好,但应注意抗震薄弱部位;同时大坝不同部位率响应明显不同,对混凝土力学性能影响不容忽视.     

接触爆炸荷载作用下溢流坝的抗爆性能

以黄登重力坝的溢流坝为研究背景，考虑混凝土的高应变率效应，运用Lagrange-Euler耦合算法建立大坝-库水-空气-炸药全耦合数值模型，研究溢流坝在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能。分析满库与空库时溢流坝在爆炸冲击波作用下的动力响应及损伤程度，并进一步研究满库时大坝在不同炸点的水下接触爆炸荷载作用下的动力响应及损伤分布。研究结果表明，满库时水下爆炸比空库时爆炸的动力响应及损伤程度大得多；溢流坝的抗爆薄弱部位主要集中在溢流道顶部及坝体上游折坡处。研究溢流坝的抗爆性能时应重点研究满库时水下爆炸对大坝的破坏特性。     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点, 其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性. 同时, 在动力荷载作用下, 混凝土材料具有不可忽视的率敏感性. 为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性, 本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手, 引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率, 并研究了对应的能量耗散过程. 在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度, 建立了微观能量耗散的基本表达式. 进而与微-细观随机断裂模型相结合, 形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型. 同时, 基于速率相关势垒的分析, 揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制. 据此, 假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系, 实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展. 数值算例表明, 建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性. 最后通过与相关试验结果的对比, 验证了建议模型的正确性.      

含材料非线性的复合材料单钉接头累积损伤分析

发展了静拉伸复合材料接头层合板三维逐渐损伤模型,考虑了单层复合材料在材料1-2面及3-1面上具有明显非线性剪切应力-应变关系的叠层非线性效应,结合有限元技术即应力分析、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化等,对接头层合板损伤扩展进行了模拟,结果表明考虑材料非线性的影响与实验结果吻合更好.     

THE USE OF VISCO-ELASTOPLASTIC DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL TO SIMULATE NONLINEAR BEHAVIOR OF CONCRETE

A visco-elastoplastic damage constitutive model is proposed for simulating nonlinear behavior of concrete. Based on traditional plastic theory, the irreversible deformation is simulated in effective stress space. In order to reflect different stiffness degradation mechanism of concrete under tensile and compressive loading conditions, both tensile and compressive damage variables are introduced, and then on the basis of energy release rate, the model is firmly derived within the concept of irreversible thermodynamics. The rate-dependent model is considered by introducing viscous regularization into the inelastic strain and damage variable, and combined with an additional elastic condition. Fully implicit backward-Euler algorithm is used to perform constitutive integration. Results of numerical examples using the proposed model agree well with test results for specimens under uniaxial tension and compression, biaxial loading and triaxial loading. Failure processes of single-edge-notched (SEN) beam and double-edge-notched (DEN) specimen are also simulated to further validate the proposed model.     

Reservoir water level effects on nonlinear dynamic response of arch dams

In this study, reservoir water level effects on nonlinear dynamic response of arch dams are investigated. For this purpose, the nonlinear behaviour of the dam concrete is idealized as elasto-plastic using the Drucker–Prager model based on the associated flow rule assumption. Water in the reservoir is represented by the Lagrangian (displacement-based) fluid finite elements. The program NONSAP is modified for elasto-plastic analysis of fluid–structure systems and employed in the response calculations. Nonlinear dynamic analysis of an arch dam subjected to earthquake ground motion is performed for five different water levels. The El-Centro N–S component of the Imperial Valley earthquake, on May 18, 1940, has been used as the ground motion. The crest displacements, the maximum tensile stresses on the upstream and downstream faces of the dam and the time history of the yield function of an element in the dam body are presented. The results obtained from nonlinear analyses for different water levels are compared with each other. It is apparent that the reservoir water level effects must be considered in the elasto-plastic analyses of arch dams to earthquake ground motion.     

混凝土动态双轴拉压破坏准则细观数值模拟研究

正常服役期内的混凝土结构往往处于复杂应力状态, 并且不可避免地会受到偶发动力载荷作用. 对于复杂载荷作用下的混凝土力学性能研究, 破坏准则是基础. 受试验设备等条件限制, 现有的动态双轴拉压破坏准则形式复杂、缺乏更高应变率和侧应力比范围且尚未综合考虑应变率和侧应力比的耦合作用. 为进一步提出适用范围更高且更准确的混凝土动态双轴拉压破坏准则, 在细观尺度上建立了混凝土立方体三维随机数值模型, 模拟了不同应变率和侧应力比下混凝土材料的动态双轴拉压破坏行为, 分别讨论了应变率和侧应力比对混凝土破坏模式和动态双轴强度的影响, 总结提出了混凝土动态双轴拉压破坏准则. 研究结论如下: 随应变率和侧应力比增大, 混凝土试件内部损伤增多, 裂纹数量增加. 动态双轴拉压工况下, 混凝土动态主轴压缩强度和侧轴拉伸强度均随应变率的增大而增大. 随侧应力比增大, 动态主轴压缩强度减小, 而动态侧轴拉伸强度增大. 本文提出的混凝土动态双轴拉压强度准则具有应变率和侧应力比适用范围大, 形式精炼简洁, 不再受物理试验条件限制和考虑了应变率和侧应力比的耦合作用等优点, 并且该准则得到了不同角度的验证.      

基于OTTOSEN准则的混凝土粘塑性力学模型

研究了混凝土的弹．粘塑性动态本构关系,提出一个应变率相关的非线性混凝土模型．模型改进Bicanic的混凝土塑性间断面变化规律和Ottosen的四参数屈服准则,建立冲击荷载下的混凝土本构方程,可以应用于地震和爆炸作用下混凝土材料响应的研究．根据混凝土动态实验结果对应变率和材料强度的关系提出合理假设,考虑以往被忽略的材料峰值应变和泊松比随应变率的变化．模型包含静水压力参数和动态塑性损伤因子,可以有效地反映混凝土的动态力学行为,为其动态问题的研究提供有益的思路和有效的工具．     

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响

为研究聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响，采用?74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对掺杂不同质量分数的聚酯纤维透水沥青混凝土进行冲击压缩实验。在静态和4个应变率下的实验结果表明，透水聚酯纤维沥青混凝土是应变率敏感性材料，具有较强应变率效应。透水聚酯纤维沥青混凝土具有较好的延展性，动态应力应变曲线分为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。当应变率相同时，随着掺杂聚酯纤维质量分数的增大，透水沥青混凝土的冲击抗压强度呈现出先升高后降低的变化规律，掺杂聚酯纤维的质量分数为0.40%时，冲击抗压强度达到最大。冲击抗压强度约为静态抗压强度的8~13倍。     

Comparison of near- and far-fault ground motion effect on the nonlinear response of dam–reservoir–foundation systems

In this paper, it is aimed to compare the near- and far-fault ground motion effects on the nonlinear dynamic response of dams including dam–reservoir–foundation interaction. Two different types of dams, which are concrete arch and concrete faced rockfill dams, are selected to investigate the near- and far-fault ground motion effects on the dam responses. The behavior of reservoir water is taken into account using Lagrangian approach. The Drucker–Prager material model is employed in nonlinear analyses. Near and far-fault strong ground motion records, which have approximately identical peak ground accelerations, of Loma Prieta (1989) earthquake are selected for the analyses. Displacements, maximum and minimum principal stresses are determined using the finite element method. The displacements and principal stresses obtained from the analyses of dams subjected to each fault effect are compared with each other. It is clearly seen that there is more seismic demand on displacements and stresses when the dam is subjected to near-fault ground motion.