构件受力后，钢筋和混凝土之间有相对滑移趋势时，产生摩阻力。这个过程就是钢筋混凝土粘结界面的损伤演化过程。现行钢混结构设计理论大多是基于平截面假定进行的，这隐含着钢筋和混凝土这两种性质截然不同的材料粘结良好，以确保二者变形协调。保障钢筋和混凝土的粘结良好是确保钢混结构安全的重要条件之一。图2.44钢筋与混凝土粘结失效引发的结构破坏......
2025-09-30
混凝土柱地震荷载下损伤演化模拟与分析
【摘要】：第二个案例是在模拟地震荷载下混凝土柱的损伤演化致失效分析。图6.38混凝土柱试样［36］图6.39试验中施加的荷载谱应用前述的损伤演化致失效的跨尺度自适应模拟与分析方法对如图6.38所示的混凝土柱试样在试验模拟的地震荷载作用下的跨尺度损伤演化过程进行模拟，模拟结果见图6.40。通过将所模拟的混凝土柱在模拟地震荷载下的损伤演化过程的数值结果与实验结果进行对比，表明数值模拟结果与实验结果吻合较好，表明所发展的算法是可靠的。
第二个案例是在模拟地震荷载下混凝土柱的损伤演化致失效分析。在钢混建筑结构中，混凝土柱是主要承力构件，其损伤失效将直接导致结构坍塌。为探讨混凝土结构地震损伤与失效机理，清华大学陆新征教授团队完成混凝土框架结构及其关键构件混凝土柱在地震荷载作用下的倒塌实验［35，36］。这里就以实验中的混凝土柱试样作为分析案例，用所发展的结构损伤多尺度分析方法模拟混凝土柱在试验荷载作用下的损伤演化与失效过程，并与实验结果进行对比。如图6.38所示，混凝土柱试样的尺寸为：200mm×200mm×85mm。试验中的加载方式为：首先采用水平力控制加载，所加水平荷载依次为10，20，30kN，各级荷载循环一圈，此后以水平位移控制加载，所加水平位移依次为10，15，20，25，30，36.5，45，55mm，各级位移荷载循环两圈［36］。上述试验荷载的荷载谱如图6.39所示，其中N为当前荷载循环，Nf为失效时荷载循环。
图6.38 混凝土柱试样［36］
图6.39 试验中施加的荷载谱
应用前述的损伤演化致失效的跨尺度自适应模拟与分析方法对如图6.38所示的混凝土柱试样在试验模拟的地震荷载作用下的跨尺度损伤演化过程进行模拟，模拟结果见图6.40。图中同时给出了在加载末期（N／Nf＝29／38、33／38和1）时的试验结果。
由图6.40可见，在模拟地震荷载作用的初期（N／Nf＝7／38、15／38），混凝土柱根部尚未开始损伤，构件的响应可以用初始宏观单元模拟；此后柱根部开始发生损伤演化，发生损伤演化部位处的宏观单元自动转变为细观尺度单元，随着损伤演化区域在根部逐渐扩大，更多的宏观单元转为细观损伤演化模拟单元，到荷载末期（N／Nf＝29／38、33／38和1），混凝土柱下部约柱长四分之一区域的两侧已经全部转为细观损伤演化单元，同时在两侧发生了局部单元失效，失效单元被删除后在图中显示为白色（表示此处为空白）。与荷载末期（N／Nf＝29／38、33／38和1）的试样损伤和局部破坏状态比较，模拟得到的局部破坏状态是很相似的。
(https://www.chuimin.cn)
图6.40 混凝土柱损伤模拟与试验结果对比（彩图见附录）
图6.41给出了通过数值模拟所获得的加载点的水平力与位移曲线，并与实验结果对比。由该图可以看到，混凝土柱宏观力学响应的模拟结果与实验结果也是很相似的。图6.40与图6.41的结果表明，采用损伤演化致失效的跨尺度自适应分析方法获得的数值模拟结果与实验结果是相符合的，这证明所发展的跨尺度自适应模拟算法是有效的。
图6.41 加载点水平力与位移的模拟与试验结果对比
综上所述，混凝土构件损伤跨尺度演化过程的自适应多尺度模拟与计算方法，首先是建立在基于混凝土材料细观构造图像的细观模型基础上，以确保能准确描述混凝土内部真实的非均匀细观构造及先天缺陷引发的细观损伤演化过程。其次是损伤跨尺度演化的自适应模拟算法，用以确保在非损伤演化区域采用宏观尺度分析，在损伤演化区域采用细观分析，一旦宏观分析区域发生损伤演化，即自动在损伤演化部位植入细观模型，从而可以较低计算代价模拟混凝土损伤跨尺度演化过程。研究结果表明：
（1）对混凝土细观损伤演化的数值模拟不仅可以很好地描述混凝土宏观力学性能的退化行为，同时可描述从混凝土细观损伤跨尺度演化发展到宏观断裂的过程，可以更好地阐释混凝土的损伤与失效机理，这是在单一宏观尺度中的数值模拟所不能体现的。
（2）所发展的混凝土损伤自适应多尺度算法可自动识别构件在荷载作用下新增的损伤演化部位，并自动在该部位进行细观建模。通过将所模拟的混凝土柱在模拟地震荷载下的损伤演化过程的数值结果与实验结果进行对比，表明数值模拟结果与实验结果吻合较好，表明所发展的算法是可靠的。
（3）在混凝土细观损伤演化的数值模拟中，为考虑骨料与基体之间界面层的真实厚度而发展了多重网格自适应多尺度算法；据此模拟得到的混凝土损伤演化结果与忽略骨料与基体之间界面层真实厚度的数值模拟相比，两者之间存在不同的损伤演化与失效路径。这说明在模拟混凝土细观损伤演化的过程中，考虑具有微观尺度数量级的骨料与基体之间界面层真实厚度是十分必要的。
相关文章
- 详细阅读
-
结构损伤模拟与分析：描述疲劳微裂纹的损伤演化详细阅读
疲劳损伤演化方程必须能够描述绝大多数微裂纹成核与扩展行为的如下两个特征，即微裂纹的成核长度不超过晶粒的尺寸，以及微裂纹尖端扩展到第一个晶界处即停止扩展。由于此时的微裂纹已停止扩展，即：按照绝大多数微裂纹的成核与扩展行为和疲劳损伤变量的定义，得到多尺度疲劳损伤模型如下：同时得到多尺度疲劳损伤演化率为：......
2025-09-30
-
混凝土损伤特性与演化规律详细阅读
从材料层次上看，混凝土类脆性固体材料属于先天性微裂纹材料，材料中大量存在的先天微裂纹是这类材料及其组成的结构在服役过程中损伤演化导致材料或结构破坏的源头。细观尺度上混凝土的观测结果表明，非均匀性和先天存在的细观裂纹是混凝土材料最重要的材料特性，而内部存在的微裂纹对混凝土这类脆性材料的损伤性能及其破坏起到了至关重要的作用。......
2025-09-30
-
多尺度模拟与分析：钢筋混凝土粘结界面损伤研究详细阅读
，I九个小图是钢筋与混凝土的有效粘结范围内的界面细观损伤状态，分别对应粘结性能系数与自由端滑移曲线中的A～I九个宏观性能状态点。......
2025-09-30
-
孔洞演化特性模拟与分析详细阅读
图2.14应力－应变曲线和缺陷总体积演化关系图图2.15为构件焊接区域两个孔洞型缺陷比较集中的区域中孔洞型缺陷体积随塑性应变增加的变化曲线和相应的应力－应变曲线，以及对应的加载过程中这两个区域中孔洞型缺陷形貌的演化过程示意图。图2.16的扫描观测结果表明，随着焊接区域塑性变形的增加，焊缝区域不......
2025-09-30
-
混凝土梁尺寸效应的发生机理分析：结构损伤模拟详细阅读
可以看出，相比于Bazant尺寸效应律，这里的损伤多尺度数值分析的结果更符合Carpinteri多重分形尺寸效应律。通过对每个尺寸下多个数值分析样本的混凝土梁试样微裂纹模型的损伤跨尺度演化过程的模拟和统计分析，成功揭示了损伤跨尺度演化导致的混凝土梁尺寸效应的发生机理和规律。而混凝土梁强度尺寸效应的发生机理可以归纳为损伤跨尺度演化及非线性串级发展所致。......
2025-09-30
-
结构损伤多尺度模拟与分析验证详细阅读
在考虑材料损伤演化与失效过程的有限元分析中，损伤演化方程与结构平衡方程、几何方程、物理方程一起，构成基本方程组。目前耦合损伤的有限元计算方法主要有：全解耦方法。本章在上一章对两种多尺度方法基本理论介绍的基础上，分别阐述了两种多尺度分析方法在有限元计算软件ABAQUS中实施的算法流程与具体步骤，并通过算例分析以验证两种损伤多尺度分析方法各自的有效性和可行性。......
2025-09-30
-
结构损伤多尺度模拟与分析详细阅读
对这些易损部位就需要考虑材料与结构在细观尺度下存在的细观缺陷及其非连续、非均匀特征进行损伤分析，在这些易损局部的复杂几何构造细节和在内部客观存在的细观缺陷，导致局部热点应力升高、触发损伤演化。分析其组成材料的性能、含量、界面、缺陷等，基于对这些细观构造与缺陷的细观分析结果来确定这些易损部位在宏观尺度下结构模型中的近似于均匀材料的等效性能。......
2025-09-30
相关推荐