钢筋混凝土拱结构破坏过程的三维有限元分析

论文摘要

采用损伤力学理论,研究钢筋混凝土拱结构在准静态加载过程中的损伤破坏过程。混凝土材料是一种拟弹脆性材料,其损伤破坏过程可近似看成是弹性损伤问题。基于弹性损伤普遍理论,取其二阶近似形式,得到一个含有三个独立参数的损伤本构模型。基于这一损伤力学模型,采用损伤力学—附加荷载—有限元法,利用高斯积分编制了相应的空间8结点有限元计算机程序,采用打靶算法,对一实桥的钢筋混凝土拱肋的破坏过程进行了数值计算,得到了每个单元在不同荷载下的损伤值以及拱在不同荷载下三个方向的位移值。依据数值结果从三方面来分析钢筋混凝土拱的损伤破坏过程。一是对钢筋混凝土拱肋的损伤部位与损伤程度,进行了定量分析与计算;二是从垂向荷载—位移关系来研究混凝土材料损伤效应产生的结构非线性行为;三是从水平荷载—位移关系来研究混凝土材料损伤效应产生的结构非线性行为。损伤理论计算结果与试验结果吻合较好,且在较大荷载水平下明显优于不考虑损伤效应的线弹性有限元结果。说明用损伤理论分析钢筋混凝土拱结构损伤破坏过程中的力学行为是可行的,具有工程推广应用价值。根据弹性损伤的一般理论,建立了含缺口金属构件疲劳问题的守恒积分。证明了损伤过程中应力集中局部区域内应变能密度的近似守恒性,据此导出了预测金属构件中高周疲劳寿命的计算公式。算例表明,本文方法具有较高的精度,好于经典连续损伤理论的结果,具有工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出的背景
• 1.2 混凝土破坏过程的研究方法
• 1.2.1 断裂力学在混凝土破坏研究中的应用
• 1.2.2 损伤力学在混凝土破坏研究中的应用
• 1.2.3 混凝土破坏的随机概率模型
• 1.2.4 混凝土破坏过程的细观研究尺度及细观模型
• 1.3 钢筋混凝土结构破坏问题的研究现状
• 1.4 金属构件疲劳寿命分析常用方法与理论
• 1.5 本文的主要工作和意义
• 第二章 损伤理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 损伤变量
• 2.3 基于等效性假设的损伤本构方程
• 第三章 弹性损伤的一般理论与有限元数值方法
• 3.1 不可逆热力学基础
• 3.1.1 热力学函数和内部状态变量
• 3.1.2 热力学第二定律和 Clausius-Duhem 不等式
• 3.2 弹性损伤本构关系的一般形式
• 3.3 各向同性弹性损伤本构关系
• 3.4 混凝土材料的损伤本构模型
• 3.5 损伤力学问题的附加荷载有限元方法
• 3.5.1 结构损伤分析的有限元数值方法
• 3.5.2 有限元数值计算过程
• 第四章 钢筋混凝土拱结构承载力的试验结果分析
• 4.1 破坏形态的观测
• 4.2 结构位移试验结果
• 4.3 应变值试验结果
• 第五章 钢筋混凝土拱肋破坏过程的三维有限元分析
• 5.1 有限元模型
• 5.2 数值结果与分析讨论
• 5.2.1 混凝土材料的损伤演化行为
• 5.2.2 垂向位移计算结果与实验结果的比较分析
• 5.2.3 水平位移计算结果与实验结果的比较分析
• 第六章 含缺口金属构件的中高周疲劳寿命预测
• 6.1 问题的提出
• 6.2 问题的基本控制方程
• 6.3 含缺口构件的损伤力学守恒积分
• 6.4 应变能密度的守恒性
• 6.5 预估疲劳裂纹形成寿命的封闭公式
• 6.6 算例
• 6.7 结果讨论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要