大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开 始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研 究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能 有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、 单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状, 由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺 度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可 供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多 尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分 析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型 土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.     

脆性固体变形响应与裂纹扩展的同步试验观测及其定量分析

通过对砂浆试样的材料变形响应和表面裂纹图象的同步观测实验研究、试样表面细观裂纹萌生和裂纹扩展图象信息的采集和量化方法的研究，探讨脆性固体材料的损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。用本文提出的实验及其分析处理方法，可以得到砂浆、混凝土、岩石一类脆性固体材料在承载和变形过程中，表面裂纹扩展的定量结果。试样的表面裂损度代表了砂浆试样在承载和变形过程中表面裂纹扩展的情况，也在一定程度上反映了试样内部的损伤情况。     

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从结构损伤识别的需要出发研究能够准确反映钢构件承载过程中发生的塑性变形 和损伤过程的量化测试方法. 用漫反射法测量了钢构件在变形和损伤过程中表面粗糙度变化 的图像，依据记录下来的表面图像进一步处理得到构件表面粗糙度的平均灰度值的变化，据 此寻找对构件塑性变形和损伤状态相关并且敏感的参数指标. 研究结果表明，基于漫反射法 和图像处理得到的钢构件承载过程中表面粗糙度的平均灰度值的变化可以判断金属试样是否 发生了塑性变形，并可定量描述试样在塑性变形后期的损伤程度.     

箱型结构损伤分析的空间网格多尺度模拟方法

为高效模拟空间效应显著的结构在关键局部的损伤，本文研究建立了以损伤分析为目标的空间网格多尺度模拟方法．首先基于变形协调法和内力平衡法，研究了空间网格多尺度建模中的跨尺度界面连接方法，对比分析了两种界面连接合理性．以三跨连续刚构混凝土箱梁在地震载荷下的损伤为分析案例，验证了空间网格多尺度模型在结构损伤分析中的可行性及其在计算效率上的优越性．分析结果表明：空间网格多尺度模型可以精确模拟结构的静力效应和动力特性；空间网格多尺度模型既考虑了结构空间效应，又可以高效分析箱梁结构局部易损部位的损伤演化过程，从而为空间效应显著的结构损伤分析提供了更为实用精细的计算模拟方法．     

含局部焊接细节的钢桁架结构静动力响应实验研究

从考虑损伤的结构有限元模拟的研究需要出发，对考虑焊连接细节构造的钢桁架结构试样进行了结构动力特性及特定载荷下的静力响应实验研究。文中给出了对试样结构进行动力特性测试和结构整体与局部应力分布状态的测试结果及其分析，并将有限元计算的结果与测试结果进行了对比分析。研究结果表明：结构动力特性的计算结果和测试值比较接近，存在的误差主要来自于边界条件的不确定性和可能的材料不均匀性；边界约束的形式对结构名义应力的分布有明显的影响，但对于焊接细节处的热点应力分布的影响很小。实验中所关注部位的热点应力在均布载荷作用下随载荷级别的提高，应力值由下翼缘的中间向两边增大，在焊缝附近有应力突变。     

脆性固体损伤和局部软化的有限元分析

本文研究混凝土、岩石一类工程中常用的应变软化材料的有限元分析方法。在作者以往有关粘塑性损伤本构模型的工作基础上，给出了一组便于有限元计算的本构方程表达式。包括损伤弹性矩阵和局部损伤软化矩阵，分别运用于计算硬化和软化阶段的有限元刚度矩阵；对所提出的本构方程的实验验证计算和一些算例的有限元数值分析，表明文中给出的本构方程是可行的，相应的有限元算法能较好地对损伤固体的局部软化效应进行数值分析，并可成功地追踪应力应变响应的软化曲线     

含缺陷钢丝多道次拉拔模拟及工艺参数优化

利用有限元软件ABAQUS建立了含缺陷热轧盘条多道次拉拔的分析模型， 研究了道次压缩率、模具顶角和裂纹长度对拉丝安全性的影响，以减少断丝率为目标探讨 道次压缩率和模具顶角的最佳配合方式. 研究结果表明：模具顶角相同时，COD值和$J$积分 值均随着裂纹尺寸的增加而增大；裂纹长度一定时，最佳入线直径随着模具顶角的增加而增 大；最佳模具顶角应在4°- 8°之间. 利用有限元方法和断裂力学理论模拟含缺陷的热轧盘条经过多道次拉丝成型的过程，建立了钢丝经过多道次拉拔模具发生拉拔变形的分析模型，用模拟方法重点研究了道次压缩率、模具顶角以及裂纹长度对拉丝安全性的影响，以减少断丝率为目标探讨道次压缩率和模具顶角的最佳配合方式；研究结果表明：模具顶角相同时，随着裂纹尺寸的增加，J积分值随之增大；裂纹长度一定时，随着模具顶角的增加，入线直径的条件最佳值也在增大；最佳模具顶角的范围应在4°－8°之间。在拉拔前应对线材进行无损探伤从而控制裂纹长度，提高线材使用率和成品质量。研究结果对进一步优化拉丝工艺参数和改进成品PC钢绞线质量提供了有价值的理论指导。     

桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

研究桥梁结构多尺度模拟和分析方法对于发展重大桥梁结构损伤检测与状态评估方法以确保其安全运营是至关重要的.本文综述和总结了作者及其课题组多年来在桥梁结构劣化与损伤过程分析领域的研究工作.包括:系统地提出了针对大型桥梁结构损伤劣化过程分析需求的结构多尺度问题,研究证实了结构损伤与劣化过程分析可以通过结构一致多尺度模拟和时空多尺度分析来实现;提出了针对大型桥梁结构多尺度模型的多因素、多目标同步模型修正技术,指出多尺度模型修正必须对各分析目标敏感的多种因素同步优化,同时交叉验证修正后模型对该级修正目标和对其它模拟目标的复现与预测能力.提出了基于结构一致多尺度模拟和结构健康监测信息进行结构劣化分析的方法并应用于两个重大桥梁工程结构的疲劳损伤分析与评估.最后,指出在此领域中还要很多问题亟待解决,尤其是如何模拟损伤从材料与结构中的细观层次的缺陷演化发展到结构局部乃至整体失效的过程,建立结构损伤演化与失效过程的跨尺度分析理论与方法.