基于應(yīng)變能密度的砌體剪力墻失效機(jī)理研究

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(xiàng)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(jī)理。以配筋砌塊剪力墻在低周往復(fù)荷載作用下的受力性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出基于應(yīng)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(yīng)的計(jì)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(zhǔn)則，與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析表明該準(zhǔn)則能準(zhǔn)確有效的預(yù)測配筋砌塊剪力墻的開裂、失效和極限荷載。于此同時(shí)，基于結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的理論和研究方法也能應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等其他不同類型的構(gòu)件，所以該準(zhǔn)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(shí)該方法也可以在將來應(yīng)用于構(gòu)件的健康監(jiān)測等方面的應(yīng)用中。 2100433B

目前配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)尚未建立準(zhǔn)確可靠的失效判定準(zhǔn)則。為此，本項(xiàng)目基于能量原理，建立配筋砌體剪力墻應(yīng)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(zhǔn)則。首先，以配筋砌體剪力墻足尺試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jìn)而建立結(jié)構(gòu)的失效判定準(zhǔn)則；最后應(yīng)用有限元分析軟件模擬不同荷載工況來驗(yàn)證和完善所建立的結(jié)構(gòu)失效判定準(zhǔn)則。本項(xiàng)目從結(jié)構(gòu)應(yīng)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(zhǔn)則，將豐富結(jié)構(gòu)的分析理論與方法、對完善相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有重要參考價(jià)值。

混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域極為關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。項(xiàng)目開展了損傷演化規(guī)律試驗(yàn)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(yàn)，測量了應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變以及卸載終點(diǎn)剛度等物理量。基于損傷變量、耗散能量比、有效應(yīng)力、塑性應(yīng)變等物理量，提出了基于有效應(yīng)力空間描述的損傷演變與塑性流動(dòng)法則，建立了損傷演化規(guī)律的數(shù)學(xué)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(yīng)力與塑性應(yīng)變迭代算法，保證了計(jì)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(jià)指標(biāo)，解決了結(jié)構(gòu)響應(yīng)和損傷指標(biāo)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(yīng)力路徑上損傷因子的高效迭代算法。采用項(xiàng)目提出的損傷因子等效方法，仿真計(jì)算獲得的荷載-撓度響應(yīng)與試驗(yàn)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(yàn)，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(jià)混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的指標(biāo)。（3）綜合混凝土塑性-損傷模型和鋼材的隨動(dòng)強(qiáng)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(shí)踐，計(jì)算得到的構(gòu)件響應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；采用子模型理論建立了分析復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的研究方法，有效模擬了強(qiáng)震作用下帶加強(qiáng)層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的非線性損傷過程。項(xiàng)目的研究成果能夠更精準(zhǔn)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(dǎo)致的敏感性問題，并成功應(yīng)用于分析復(fù)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(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)非線性損傷機(jī)理研究提供有效的數(shù)值計(jì)算方法。 2100433B

混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。項(xiàng)目擬從能量耗散觀點(diǎn)分析混凝土結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理，綜合應(yīng)用試驗(yàn)方法與仿真技術(shù)，進(jìn)行損傷規(guī)律試驗(yàn)研究、塑性-損傷模型開發(fā)和結(jié)構(gòu)仿真分析三項(xiàng)研究工作。首先，開展混凝土試驗(yàn)測量應(yīng)力-應(yīng)變曲線，探索基于能量耗散機(jī)制并反映多軸應(yīng)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(jià)指標(biāo)，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(yīng)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(yùn)用子模型理論，探討復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)損傷失效機(jī)理的快速分析方法，為完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論提供有益的建議。

蒙皮應(yīng)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(tái)的安全運(yùn)行起到預(yù)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(yīng)變片或者壓電材料等電測法，在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定不足。本項(xiàng)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(yīng)變監(jiān)測的理論方法進(jìn)行研究。具體內(nèi)容包括：建立粘貼式FBG普適結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)變、平面應(yīng)變及彎曲應(yīng)變下粘貼式FBG應(yīng)變傳遞理論模型；綜合三種理論模型建立蒙皮組合應(yīng)變下粘貼式FBG傳感器應(yīng)變傳遞理論模型；通過蒙皮應(yīng)變監(jiān)測試驗(yàn)驗(yàn)證所獲得的應(yīng)變傳遞理論模型。本項(xiàng)目旨在揭示用于蒙皮應(yīng)變監(jiān)測的粘貼式FBG應(yīng)變傳遞機(jī)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(jì)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。