混凝土静动弹塑性损伤模型及在大坝分析中的应用

论文摘要

本文针对混凝土损伤敏感性和率相关的动态特性，建立了考虑多轴损伤破坏的混凝土各向异性弹塑性损伤模型和能量基率相关动力损伤模型，并将建立的模型应用于200m级重力坝和300m级高拱坝静、动损伤响应分析和抗震安全评价。为反映混凝土损伤的单向效应特性和揭示其相应的拉、压破坏机理，对损伤进行了拉、压分离；对三个主方向按拉、压状态用三个不同的损伤破坏函数来表征其破坏准则，准则中反映了损伤量对混凝土拉、压强度和刚度的劣化作用。利用能量等效原理推导得到率相关动力损伤模型，模型可较全面地反映应变率对损伤演化的影响。应用于混凝土大坝的静、动损伤响应分析，得到的结果可解释大坝损伤模式和动力作用下的渐进破坏趋势或潜在破坏模式。结果表明，所建立的混凝土损伤模型可有效地进行高坝抗震安全评价。本文主要研究工作如下： 一方面，建立了不仅可描述多轴受压损伤破坏、而且还可考虑多轴拉伸损伤破坏的多轴损伤破坏准则，考虑损伤的各向异性特点，进一步建立了各向异性弹塑性损伤模型。该模型用于混凝土结构破坏分析可有效判断混凝土的拉伸和压缩破坏，而对实际大坝而言，由于采用了较高的抗压安全系数，建立拉伸破坏准则的工作将更有意义，因为这对混凝土大坝的安全更为不利。 由于单轴损伤演化方程难以准确度量多轴应力状态下的损伤程度，本文引入了多轴破坏准则对应的破坏面，建立了反映当前应力状态的三轴影响因子，基于符合混凝土实际变形和破坏特点的单轴损伤演化方程，建立了混凝土多轴损伤演化方程，从而解决了多轴情况下的损伤度量问题。进而将所得到的损伤主量应用于多轴弹塑性损伤破坏准则中的对应方向，以分别反映对拉、压强度和刚度劣化的影响。 另一方面，针对混凝土动态特性对损伤的影响，基于能量等效原理推导得到了动力损伤模型，该模型较全面地反映了应变率在损伤演化中的影响，包含了软化阶段和硬化阶段有损伤演化的情况；同时对李庆斌根据不同应变率下混凝土动、静应力—应变全曲线具有几何相似特点推导得到的动力损伤模型做了讨论。对这两种动力损伤模型应用于混凝土大坝的静、动损伤响应分析并进行了量化比较。应用于Koyna坝的静、动损伤响应分析结果和大坝的实际震害情况比较相符；研究发现，在地震作用过程中利用损伤指标判定结构的损伤破坏要比用应力指标清晰和明显，因为应力指标随地震作用会有波动，而用损伤作为内变量累积则能体现大坝抗震薄弱部位的损伤发展和渐进破坏进程。进一步比较了率无关、率相关损伤模型对大坝地震损伤响应的影响。然后，分析了高重

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 工程背景和研究意义
• 1.2 混凝土损伤力学研究概述
• 1.3 混凝土动态特性的研究历史和现状
• 1.4 混凝土大坝非线性分析概述
• 1.4.1 混凝土重力坝非线性分析综述
• 1.4.2 混凝土拱坝非线性分析综述
• 1.5 混凝土大坝抗震安全评价研究概况
• 1.6 混凝土损伤力学和混凝土大坝损伤破坏安全研究目前存在的问题
• 1.7 本文主要工作
• 2 混凝土损伤力学基础
• 2.1 混凝土基本特性
• 2.1.1 混凝土材料性能
• 2.1.2 混凝土的力学特点
• 2.1.3 现有的用于模拟混凝土材料力学特性的基本理论
• 2.2 损伤力学重要概念和理论
• 2.2.1 损伤变量
• 2.2.2 应力等效、应变等效和能量等效原理和有效应力
• 2.2.3 损伤应变能释放率
• 2.2.4 损伤演化问题
• 2.3 混凝土损伤基本特点和已有的混凝土损伤模型
• 2.3.1 混凝土损伤及其破坏机理
• 2.3.2 混凝土损伤的基本特点
• 2.3.3 模拟混凝土损伤的模型
• 2.4 连续损伤力学基础和热力学不可逆过程描述的损伤
• 2.5 考虑损伤的弹塑性广义变分原理和有限元列式
• 2.5.1 弹塑性损伤广义变分原理
• 2.5.2 损伤有限元列式
• 2.6 结构损伤分析方法
• 2.7 本章小结
• 3 考虑多轴应力状态的砼各向异性弹塑性损伤本构模型及应用
• 3.1 混凝土单轴损伤演化方程的甄别
• 3.2 建立混凝土多轴损伤演化方程
• 3.2.1 损伤演化方程改进
• 3.2.2 沈新普等考虑三轴影响因子的损伤模型简介
• 3.3 混凝土拉压损伤分离
• 3.4 混凝土弹塑性损伤分离
• 3.5 考虑多轴损伤破坏准则的混凝土各向异性损伤模型
• 3.6 混凝土结构静力损伤程序编制
• 3.7 本章算例
• 3.8 本章小结
• 附录3—A 小湾拱坝在不同水荷载作用下的应力响应
• 4 混凝土动力损伤本构模型研究及其应用
• 4.1 混凝土的动态特性
• 4.2 考虑单向效应的混凝土损伤分析在程序中的实现
• 4.3 混凝土率损伤研究概况
• 4.4 李庆斌率相关动力损伤模型简介
• 4.5 按照等效原理推导的率相关损伤模型
• 4.5.1 能量基率相关损伤模型的公式推导
• 4.5.2 算例
• 4.6 混凝土重力坝动力损伤分析
• 4.6.1 率无关和率相关弹性动力损伤分析
• 4.6.2 重力坝率无关和率相关弹塑性动力损伤分析
• 4.7 混凝土拱坝动力损伤分析
• 4.7.1 率无关和率相关弹性损伤动力分析
• 4.7.2 率无关和率相关弹塑性损伤动力分析
• 4.8 本章小结
• 5 混凝土大坝地震损伤安全评价
• 5.1 概述
• 5.2 混凝土大坝抗震安全评价概况及存在的问题
• 5.3 混凝土大坝抗震安全评价方法
• 5.4 混凝土重力坝动力损伤安全评价
• 5.4.1 Koyna坝率相关弹性损伤抗震安全评价研究
• 5.4.2 重力坝动力损伤安全评价工程应用—三峡大坝地震安全评价
• 5.4.3 三峡重力坝和Koyna大坝抗震性能比较
• 5.5 大岗山高拱坝抗震安全评价
• 5.6 本章小结
• 附录5-A 大岗山拱坝地震时程分析应力响应等值线
• 6 结语和展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢