（固体力学专业论文）考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析.pdf

a n a l y s e so n s t r u c t u r a ls e i s m i c a n df a i l u r ep r o c e s sb yc o n s i d a m a g e e v o l u t i o n l- ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n b y j i a n gf e n g f e n g 一一 s u p e r v i s e db y p r o f l iz h a o x i a c o l l e g eo f c i v i le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a y2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 日期：趁芝：笸： 摘要 考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析 硕士研究生：江峰锋导师：李兆霞教授 摘要 重大工程结构在其服役期内不可避免地会发生结构局部劣化和损伤。并且有很大可能受到各 种强载荷作用，这些结构损伤和局部劣化在强载荷作用下的演化导致局部失效的过程会使结构抗 力衰减，继而引起不同形态的结构破坏。结构失效从其本质分析，每种破坏形态都始自材料损伤， 且均是在损伤发展到一定限值后发生的。因此，在结构抗震性能分析过程中考虑材料损伤演化及 其对结构局部失效和破坏影响显然更符合结构在地震载荷作用下发生失效的实际情况，发展这样 的分析方法有着非常重要的学术意义和工程应用前景。本文从地震载荷的特性及强动载荷作用下 的结构损伤和破坏机理出发，遴选了对地震载荷下钢结构损伤失效过程描述最为合理的钢材料延 性损伤本构模型，研制了将损伤演化方程和损伤材料的应力应变关系引入大型有限元软件 a b a q u s 中的补充软件，建立并实现了考虑材料损伤演化过程的强动载荷下的结构非线性响应 与失效过程分析方法，分析了材料损伤演化对结构局部失效和主要抗震性能指标的影响。本文完 成的研究工作和主要成果有： 1 在调研材料损伤及损伤本构关系研究现状的基础上，考虑地震载荷下钢材损伤失效机理和 损伤材料的应力应变特性，选择基于连续损伤力学的钢材损伤演化过程描述方法，明确了适合于 描述地震载荷下钢结构损伤失效过程的合理的钢材料延性损伤本构模型。研究发现适用于描述金 属材料延性损伤的l e m a i t r e 模型表达简洁，参数易于确定，损伤变量参数测量便利，已被试验验 证具有比较高的计算精度，可以满足钢结构在抗震性能分析过程中考虑材料损伤演化的分析要 求。并根据计算分析的需要，综合塑性力学和损伤力学理论框架，将微分形式的l e m a i ( r e 应变 损伤耦合本构方程和损伤演化动力律改为增量表达形式，以符合程序实现要求和分析调用条件。 2 根据强动载下结构非线性损伤分析的需要，选择非线性有限元分析软件a b a q u s 作为本 文计算平台。为引入分析所需的损伤演化方程和损伤材料的本构方程，在a b a q u s 的用户子程 序接口u m a t 框架下编写代码，定义了材料塑性和损伤的门槛值及演化规律，实现了应力更新算 法，求解了一致切线模量，从而建立了考虑材料损伤演化的强动载荷作用下的结构失效过程和抗 震性能分析方法。 3 应用考虑材料损伤演化的强动载荷作用下的结构失效过程和抗震性能分析方法，首先计算 分析了构件在强动载荷作用下的损伤失效过程及其对构件抗震性能的影响。以钢框架抗震结构的 主要节点形式之一的狗骨式刚节点构件为例，分析了结构抗震性能试验动载荷下节点域的损伤分 布和演化特性，通过对比考虑损伤和不考虑损伤的计算结果，总结了材料损伤演化过程对狗骨式 摘要 刚节点构件在低周反复载荷下的动应力分布和抗震性能的影响，说明了在结构抗震性能分析中考 虑材料损伤演化过程的必要性。研究结果表明，应用完备形式l e m a i t r e 损伤演化方程和应变- 损 伤耦合本构方程可以描述材料强化特性对损伤演化规律的影响，量化材料刚度退化引起的承载面 积下降和单位面积承载力降低，有效描述在低周反复载荷下材料损伤演化过程造成的构件关键位 置处有效应力增大和承载能力降低；在对构件进行局部抗震性能分析时，可以用构件关键位置处 的损伤材料累积塑性应变分布区域和极值大小来衡量构件局部位置处的破坏程度：用构件关键位 置处的有效应力场来表现构件关键位置处的承载状态。在对构件进行整体抗震性能分析时，则可 以用构件的相对载荷位移曲线面积来描述构件耗能能力的不断降低。 4 在构件分析的基础上，进而研究了大跨桥梁钢箱梁结构中的典型加劲桁架结构的损伤与抗 震性能。建立了结构的三维实体有限元模型，用该结构的动态特性与静应变分布测试结果论证了 a b s t r a e t a n a l y s e so ns t r u c t u r a ls e i s m i cr e s p o n s ea n d f a i l u r e p r o c e s sb yc o n s i d e r i n gd a m a g ee v o l u t i o n g u a d u a t es t u d e n t ：j i a n gf e n g f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iz h a o x i a a b s t r a c t l o c a ld a m a g ea n ds t r u c t u r a ld e t e r i o r a t i o na l w a y so c c u r r e di ns e r v i c et i m eo fm a j o re n g i n e e r i n g s t r u c t u r e sw h i c hp r o b a b l yu n d e r g os e i s m i cl o a d i n g t h es t r u c t u r a lr e s i s t a n c ev a r i e so b v i o u s l ya s s o c i a t e d w i t hl o c a lf a i l u r ep r o c e s sc a u s e db yl o c a ld a m a g ea n dd e t e r i o r a t i o ne v o l u t i o nu n d e ra c t i o n so fs e i s m i c l o a d i n g v i e w i n gf r o mt h ee s s e n c eo fs t r u c t u r ef a i l u r e ，e a c ht y p eo ff a i l u r em o d ei sc a u s e db yd a m a g e i n v o l u t i o ns t a r t e df r o md e f e c t si nm a t e r i a l s s oi ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ep r o c e s so fd a m a g e i n v o l u t i o nd u et om a t e r i a ld e f e c t si nt h ec a l c u l a t i o n so ns e i s m i cp e r f o r m a n c eo fs t e e ls t r u c t u r e si no r d e r t og e tt h er e s u l t sa c c o r d i n gw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fs t r u c t u r a lf a i l u r ep r o c e s su n d e rs e i s m i c l o a d i n g , w h i c hi ss i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l ei nb o t ha c a d e m i cs t u d ya n de n g i n e e r i n g t h ea i mo ft h i s t h e s i si st od e v e l o pam e t h o df o rs t r u c t u r a lr e s p o n s ea n a l y s e su n d e rs e i s m i cl o a d i n gb yc o n s i d e r i n gs t e e l d a m a g ee v o l u t i o nb a s e do nc o n s t i t u t i v em o d e lf o rd a m a g e dm a t e r i a l s c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so f s e i s m i cl o a d i n ga n ds t r u c t u r ed a m a g em e c h a n i s mu n d e rs e i s m i cl o a d i n g , ad u c t i l ed a m a g ec o n s t i t u t i v e m o d e li sc h o s e na st h ed e s c r i p t i o no fd a m a g eb e h a v i o ra n dd e t e r i o r a t i o np r o c e s so c c u r r e di ns t e e l p l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds p e c i f i cs u p p l e m e n t a ls o t t w a r ei sd e v e l o p e dt oi n t r o d u c ed a m a g ec o n s t i t u t i v e e q u a t i o n si n t ot h ec o m p u t a t i o no fs t r u c t u r a lr e s p o n s eu n d e rs e i s m i cl o a d i n gp e r f o r m e dw i t ht h e s o f l a v a r ea b a q u s t h ea n a l y s i sm e t h o df o rn o n - l i n e a rs t r u c t u r a lr e s p o n s ea n df a i l u r ep r o c e s su n d e r s t r o n gd y n a m i cl o a di sd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e db yc o n s i d e r i n gt h ep r o c e s so fm a t e r i a ld a m a g e e v o l u t i o na n di t se f f e c to ns t r u c t u r el o c a lf a i l u r ep r o c e s sa n ds e i s m i cp e r f o r m a n c ei n d e x e s t h em a i n r e s e a r c ha c t i v i t i e sa n da c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) o nt h eb a s i so fr e s e a r c hs t a t u so nm a t e r i a ld a m a g ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s ，d a m a g ei ns t e e la n d f a i l u r em e c h a n i s ma n di t sd a m a g ec o n s t i t u t i v ec h a r a c t e r i s t i c su n d e rs e i s m i cl o a d i n ga r ec o n s i d e r e di n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h et h e o r yo fc o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c si nt h ef r a m e w o r ko fc o n t i n u u m m e c h a n i c sa n di r r e v e r s i b l et h e r m o d ) ，n a m i c si sc h o s e ns ot h a tt h ead u c t i l ed a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e li s c o n s i d e r e ds u i t a b l ei ns t e e lf a i l u r ed e s c r i p t i o nu n d e rs e i s m i cl o a d i n g f u r t h e r m o r e ，a l li s o t r o p i cd a m a g e c o n s t i t u t i v em o d e lp r o p o s e db yl e m a i t r ei sc h o s e nb e c a u s eo fi t sh i g h e ra c c u r a c yo fc a l c u l a t i o na n d c o n v e n i e n c eo fe q u a t i o ne x p r e s s i o n , p a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o na n dd a m a g em e a s u r e m e n tb ys p e c i f i c i i i a b s t r a c t t e s t s t h e ni no r d e rt ob ee a s yu s e f u lf o rn u m e r i c a la n a l y s i s ，l e m a i t r e ss t r a i n d a m a g ec o u p l e d c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sa n dd a m a g ee v o l u t i o nl a w sa r er e w r i t t e nb yi n c r e m e n t a lv a r i a b l e si nt h e f r a m e w o r ko f p l a s t i c i t ya n dd a m a g em e c h a n i c s 2 ) t h ec o m p u t a t i o ni si m p l e m e n t e db ys p e c i f i cs u p p l e m e n t a ls o t t w a r ed e v e l o p e d0 nt h eb a s i so f t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ep a c k a g ea b a q u s t h ep r o g r a m m i n gc o d ef o ri n t r o d u c i n gc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n so ft h ed a m a g e dm a t e r i a la n dd a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o n si sc o m p i l e di nt h ef i - s m eo f u s e r - d e f i n e dm a t e r i a lm e c h a n i c a lb e h a v i o r ( im i na b a q u s ，i nw h i c h , m a t e r i a lp l a s t i c i t y , a b s t r a c t d i f f e r e n ta m p l i t u d e sa n dt h em o d e l e ds e i s m i cl o a d i n g ，m e a n w h i l et h es i z eo ft h e s e r e g i o n sa n dt h e i r i n f l u e n c ed e g r e eo ng l o b a lr e s p o n s eo ft h es t r u c t u r ea r ed i f f e r e n t m a t e r i a ld a m a g eh a saw i d e d i s t r i b u t i o na n dd a m a g ei nl o c a lp o s i t i o ni m p o s e sa g r e a ti n f l u e n c eo ng l o b a la n a l y s i sr e s u l t so f s t r u c t u r eu n d e rc y c l i cr e v e r s e dl o a d i n gw i t hh i 曲a m p l i t u d ea n dl o wc y c l i cn u m b e r i nc o m p a r i s o n d a m a g ea c c u m u l a t e si nt h es a m ep o s i t i o no fs t e e lt r u s ss t r u c t u r es ot h a tl o c a lf a i l u r ea n df r a c t u r e a p p e a r se a s i l yu n d e rc y c l i cl o a d i n gw i t hl o wa m p l i t u d ea n dh i g hc y c l i cn u m b e r , b u tm a t e r i a ld a m a g e h a sl i n l ee f f e c to ns t r u c t u r ep e r f o r m a n c eb e f o r el o c a lf a i l u r ea p p e a r s a c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i n si n l o c a ld a m a g ep o s i t i o nc a nb ea p p l i e d 觞锄i n d e xt od i s c u s ss t r u c t u r el o c a ls e i s m i cp e r f o r m a n c eu n d e r c y c l i cl o a d i n g t h ec a l c u l a t i o nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sw o r kf o rs t r u c t u r a lf a i l u r e p r o c e s sa n ds e i s m i c p e r f o r m a n c eu n d e rs t r o n gd y n a m i cl o a d i n gi sh e l p f u lt o d e s c r i b i n g a c c u r a t e l yn o n 1 i n e a rs t r u c t u r a l r e s p o n s ea n dl o c a lf a i l u r ep r o c e s sc a u s e db ym a t e r i a ld a m a g ee v o l u t i o ni ns t e e ls t r u c t u r e su n d e rs t r o n g d y n a m i cl o a d i n g m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o dc a na l s og e tm o r er e a s o n a b l em e c h a n i s mt oi n t e r p r e tt h e p h e n o m e n o nh a p p e n e di ns t r u c t u r a lf a i l u r ew h e nd a m a g ei n v o l u t i o nd u et od e f e c t si ns t e e lm a t e r i a l i n d u c et oj o i n tr u p t u r ea n ds t r u c t u r ef a i l u r eu n d e rs t r o n gd y n a m i cl o a d i n g t h ed e v e l o p e dm e t h o di s s u i t a b l ef o ra n a l y s e sa n da s s e s s m e n to ns t r u c t u r a ld a m a g ea n dl o c a lf a i l u r es t a t u su n d e rs e i s m i cl o a d i n g w h i c hi sn o ti n d u c ei n s t a n t a n e o u sf a i l u r et oas t r u c t u r e t h em e t h o dw i l la l s ob eu s e f u li na n a l y z i n g s e i s m i cp e r f o r m a n c ei n d e x e so fc o m p o n e n t so rs t r u c t u r e sf o rt h e d e v e l o p m e n to fn e wd e s i g n s p e c i f i c a t i o nf o rs e i s m i cs t r u c t u r e s k e yw o r d s ：c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n s ；d a m a g ee v o l u t i o n ；s e i s m i cp e r f o r m a n c e ；n o n - l i n e a ra n a l y s i s ； a b a q u s ；u m a t v a b s t r a c t v i 目录 目录 摘要i a b s t r a e t i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 问题的提出 1 2 相关领域研究现状 l 3 l2 1 材料损伤及损伤本构关系研究现状3 1 2 2 工程结构损伤与破坏问题研究现状6 1 3 本文的主要工作 第2 章地震载荷下结构非线性分析的钢材损伤本构模型1 1 2 1 地震载荷下钢材的交形特性与损伤特征 1 l 2 1 1 地震载荷下钢材的应变率效应1 1 2 1 2 材料损伤特征及其描述方法1 2 2 1 3 钢材的延性损伤特性描述1 4 2 1 4 考虑程序实现可行性的损伤理论选择1 5 2 2 钢材损伤动力律与损伤演化方程的确定 2 2 1 基于不可逆热力学的损伤分析1 6 2 2 2 损伤演化动力律与损伤势函数1 7 2 2 3 损伤演化方程2 1 2 3l e m a i t r e 各向同性损伤本构理论 2 3 1 塑性屈服准则和强化模式2 2 2 3 2l e m a i t r e 应变一损伤耦合本构方程2 4 2 3 3 公式总结2 7 2 4 本章小结 第3 章考虑材料塑性与损伤演化的结构非线性分析方法及其实现3 1 3 1 考虑材料损伤的结构非线性分析方法实施策略 3 1 3 1 1 耦合损伤的结构非线性分析方法3 1 3 1 2 考虑材料塑性损伤的结构非线性分析方法实施策略3 2 3 2 有限元分析软件及其二次开发 i 3 2 目录 3 2 1a b a q u s 中非线性问题的处理方法3 3 3 2 2a b a q u s 材料用户子程序特性及其调用方法3 4 材料损伤本构方程的程序实现 3 3 1u m a t 子程序实现流程3 6 3 3 2 弹塑性状态和损伤状态的决定；3 8 3 3 3 考虑材料损伤的应力更新算法4 0 3 3 4 一致切线模量的定义和求解4 3 3 3 5 程序实现过程中主要问题和注意事项4 4 本章小结 刚节点构件的损伤过程和抗震性能分析4 7 狗骨式刚节点构件的受力性能 刚节点构件有限元模拟 4 7 4 8 4 2 1 几何模型描述4 8 4 2 2 材料参数选取4 8 4 2 3 单元选择与网格划分4 9 单轴拉伸和循环载荷下构件中损伤对应力应交响应特性的影响 4 3 1 损伤演化方程计算精度分析与形式选择5 1 4 3 2 损伤的考虑方式及其对材料单轴拉伸应力应变特性的影响5 2 4 3 3 损伤对材料反复拉压应力应变特性的影响5 6 低周反复载荷下刚节点构件的损伤分布与演化过程 材料损伤对构件抗震性能的影响。 5 9 4 5 1 材料损伤对节点域削弱截面处应力场的影响6 3 4 5 2 材料损伤对节点域滞回性能的影响6 4 4 5 3 考虑材料损伤演化的构件抗震性能指标选择6 5 考虑材料损伤时刚节点构件的失效过程与破坏模式 本章小结 6 7 强动态载荷下结构损伤特征分析6 9 以损伤分析为目标的结构有限元模拟 。6 9 5 1 1 含焊接细节的加劲钢桁架结构及其试验概况6 9 5 1 2 加劲钢桁架结构试样的有限元建模7 2 5 1 3 加劲钢桁架结构试样有限元模型的验证7 4 不同幅值循环动载荷下钢桁架结构应力分布和损伤演化规律7 7 5 2 1 循环动载荷下钢桁架结构损伤区分布7 8 v i 目录 5 2 2 钢桁架结构危险点处的损伤演化过程8 0 5 2 3 钢桁架关键位置处的应力分布8 2 5 3 低周反复载荷下钢桁架结构应力分布和损伤失效过程8 4 5 3 1 低周反复载荷下钢桁架结构损伤区分布8 5 5 3 2 钢桁架结构危险点处的损伤演化过程8 6 5 3 3 钢桁架结构的损伤失效过程8 6 5 3 4 钢桁架关键位置处的应力分布和抗震性能描述8 7 5 4 考虑材料损伤演化的结构动态响应与失效过程分析的特点与优势 5 5 本章小结 第6 章结论与展望9 3 6 1 完成的主要工作及主要成果 6 2 后续研究工作展望 参考文献 9 3 9 6 9 7 致谢10 3 攻读硕士学位期间撰写与发表的论文1 0 5 i x 目录 x 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 地震是一种危害性极大的自然灾害，具有突发性强、难以预测性高、范围广、破坏性大等特 点。近十多年来对地震震害的研究表明：地震造成了结构的破坏和不同程度、不同类型的损伤。 重大工程结构较长的服役年限使其不可避免地会受到各种强载荷的作用，因此不同程度的损伤和 劣化在结构各部分尚未达到设计年限时就有可能发生。荷载作用下服役结构的抗力不断衰减，可 能引起两类结构破坏模式：其一是荷载作用下的结构反应并未超过破坏临界值，但结构中材料微 缺陷引起材料力学性能逐渐劣化，当材料损伤累积到破坏临界值时，结构或构件发生破坏；其二 是服役结构考虑损伤累积效应时，结构抗力衰减，在损伤没有达到临界值时受到灾害载荷( 如地 震，台风等) 作用，结构局部或整体发生突发性破坏，造成人员和财产的重大损失。为最大程度 防止和减少结构由于地震造成的破坏，科研工作者需要在现有抗震分析方法基础上综合考虑材料 损伤因素，建立更符合地震载荷下材料和结构破坏机理的分析方法，真实描述结构失效过程和抗 震性能。 强载荷下的结构分析过程中必须考虑各种非线性因素，事实上，非线性问题是复杂的综合性 问题。一般情况下，物体的位移和应变都不是无限小量，材料本构关系也是非线性的，边界条件 也可能随变形的发展而改变。要同时考虑这些因素进行结构非线性分析是非常困难的。为简化分 析过程，我们通常抓住主要非线性影响因素，对一些对物体运动和变形影响不大的非线性因素进 行线性近似。因此，考虑非线性因素的结构响应分析问题被人为划分为考虑载荷作用下结构大挠 度、大位移的几何非线性问题；考虑材料力变形弹塑性关系和损伤性能的材料非线性问题；以及 考虑接触或随动载荷等边界条件随物体运动发生变化而引起的边界非线性问题。对结构分析而 言，材料非线性指应力与应变之间的非线性关系，由材料塑性、粘塑性、蠕变等特性引起，是强 载荷下结构非线性分析中需要考虑的核心因素l i l t 2 1 。 在结构非线性分析过程中，当前通过结构恢复力模型或材料传统塑性本构模型来考虑材料非 线性的结构抗震性能分析方法是存在一些问题的。这些分析方法并未考虑材料在强载荷作用下的 损伤与劣化，由此带来的影响是在应用传统材料本构关系进行结构分析时，由材料退化导致的结 构损伤和破坏被忽略，使得抗震性能分析结果偏于安全。首次超越破坏和累积损伤破坏是从大量 震害现象中总结出的两类主要结构破坏形式，从失效本质分析，每种破坏形态都始自材料损伤， 且均是在损伤发展到一定限值后发生的。从材料损伤导致结构破坏的机理出发，可以发现整体结 构损伤始自局部应力集中，结构劣化是由局部损伤演化造成的。结构的局部损伤始自最底层，即 从材料中的孤立空洞成核开始，经过微裂纹、微孔洞、剪切带等细观损伤基元的萌生、串接、汇 合、扩展，最终导致宏观裂纹萌生，工程结构从服役到失效，经历了损伤累积、缺陷演变、性能 东南大学硕士学位论文 劣化的过程。要客观描述强载荷下材料和结构的宏观失效特性，不能忽略材料不可逆劣化的影响， 需要结合微观尺度的材料退化机理和宏观尺度的结构损伤破坏机理进行分析【3 4 】。考虑材料损伤演 化的结构失效过程与抗震性能分析方法明确了材料和结构劣化过程的物理意义，可以更合理地模 拟与解释结构在地震载荷下的损伤和破坏现象，提高结构分析计算准确度。在结构抗震性能分析 过程中考虑材料损伤演化及其对结构损伤和破坏造成的影响显然更符合结构在地震载荷作用下 损伤和失效的实际情况。 在现有结构地震响应分析方法中，通过宏观条件下的经验性损伤模型考虑构件和结构损伤特 征的分析方法也有待进一步探讨。构件层次的损伤分析通过宏观条件下规格化最大位移与规格化 滞回耗能组合形式来考虑损伤，目前的做法大多是从试验或震害出发确定组合系数值或经验表达 式，这往往不能反映或只能部分反映构件位移时程对累积损伤的影响。从损伤指标的严格物理概 念意义上讲，众多已建立的构件地震损伤分析表达式都是经验性的，物理意义并不十分明确。目 前通用的结构层次整体损伤分析方法是将构件损伤指标进行加权处理来分析结构整体内力状态 和损伤特征，但这种方法受到构件损伤分析方法精度影响，而且结构整体损伤影响因素十分复杂， 显然通过简单组合构件损伤指标得到的结构整体损伤指标不能完全解释结构损伤机制。在本质 上，结构层次损伤分析中的损伤指标建立在试验和震害数据基础上，属于概念上和经验上的分析 方法，这从客观上限制了这种分析方法的应用范卧5 1 。由以上说明可知，当前应用的损伤分析方 法并未直接考虑材料的劣化特性和载荷作用下的损伤演化过程，因此尚存在改进和发展的需要。 目前，在工程结构损伤与破坏研究领域中，致力于说明材料损伤特性和机理的材料损伤研究 以及服务于构件抗震设计和性能分析的构件损伤研究长期以来一直沿着不同的思路发展：材料损 伤的研究以损伤力学和不可逆热力学理论为基础，研究如何定义微缺陷引起的损伤，以及损伤变 量的演化和发展规律，其根本目的是建立考虑损伤演化规律的材料本构关系：而构件损伤的研究 则根据构件的低周疲劳试验或结构在实际地震中的损伤破坏情况来选取损伤参数以定义合理、实 用的损伤指数表达式。不同的研究思路和研究方法使得在材料损伤研究和构件损伤研究间存在脱 节甚至矛盾，从当前的研究现状和工程需求出发，需要将属于同一领域中的这两部分内容结合起 来，发展考虑材料损伤的结构分析方法。 事实上，在理论工作者应用简单结构进行的材料本构关系验证性分析中，程序形式实现的以 材料损伤本构方程为基础的分析方法所得结果与试验结果有相当好的一致性。近年来，材料本构 理论的研究成果使得材料破坏机理得到了更合理的解释；而大型有限元分析软件的发展使得大型 复杂结构抗震性能分析的实现难度大大降低，而且大型有限元分析软件都留有二次开发接口程 序，易于通过接口程序写入材料的损伤本构关系。在这一前提条件下，将材料损伤本构方程与大 型有限元软件相结合，可以得到考虑材料损伤演化和非线性性能的构件或结构整体地震响应，进 而得到结构的损伤特征。目前通过微观损伤本构关系来考虑材料退化的研究仅停留在理论分析和 简单算例验证阶段，考虑从材料退化出发研究结构损伤和破坏这一分析思想也未在大型结构的分 2 第1 章绪论 析中体现。 综上所述，作为现有分析方法的改进，考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析方 法应用了先进的损伤力学理论，首先从材料损伤机理出发，用损伤变量的演化来模拟损伤基元的 萌生、串接、汇合、扩展，建立材料的损伤本构方程，在大型有限元软件中实现了强载荷下材料 初始缺陷和劣化过程的模拟，利用考虑材料损伤演化过程的应力应变关系描述了材料的退化规 律，解释了强载荷作用下材料的损伤破坏机理；在准确考虑材料损伤特性的基础上，进行结构的 非线性响应分析，实现了强载荷下由材料损伤劣化引起的构件和结构损伤特征和力学性能变化过 程的模拟，由此更为准确地考虑了结构分析中材料非线性的影响；最后根据结构分析结果，综合 考虑相关损伤理论和结构损伤破坏现象，解释了材料退化如何导致构件和结构响应的变化和力学 性能的改变，进一步说明材料、构件、结构的损伤破坏机理。该方法用损伤本构方程的形式考虑 了材料损伤，自下而上解释了材料、构件和结构的损伤破坏机理，具有先进的计算理论，使得整 个分析过程具有更明确的物理意义，有着重要的学术和应用价值，显示出良好的应用前景。 本文的工作围绕着考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析方法的实现展开，从地 震载荷的特性及强动载荷作用下的结构损伤和破坏机理出发，遴选了对描述地震载荷下钢结构损 伤失效过程最为合理的钢材料延性损伤本构模型，研制了将损伤演化方程和损伤材料的应力应变 关系引入大型有限元软件a b a q u s 中的补充软件，建立并实现了考虑材料损伤演化过程的强动 载荷下的结构非线性响应与失效过程分析方法，分析了材料损伤演化对结构局部失效和主要抗震 性能指标的影响。 1 2 相关领域研究现状 由于论文工作涉及到材料损伤本构关系和工程结构损伤破坏问题分析方法，下面对这两方面 的研究现状进行初步评述。 1 2 1 材料损伤及损伤本构关系研究现状 材料损伤的研究以不可逆热力学理论为基础，研究如何定义微缺陷引起的损伤，以及损伤变 量的演化和发展规律，其根本目的是建立考虑损伤演化规律的材料本构关系。因此，材料层次的 损伤分析问题的研究在本质上就是材料损伤本构关系的研究。 1 9 5 8 年k a c h n a o v 首先把“连续因子”和“有效应力”的概念引入蠕变问题的断裂力学研究， 随后r o b o t n o v 进一步发展了“损伤因子”的概念。在一定的时期内，研究工作的重点主要集中 在蠕变损伤问题上。在上世纪七十年代后期，由于在核工业和航天技术中也出现了损伤问题，力 学工作者对损伤的概念给予了更多的关注，众多学者运用连续介质力学的原理进一步把损伤因子 发展为一种系统变量。1 9 7 8 年，l e m a i t r e 和c h a b o c h e 根据不可逆热力学原理，发展了材料损伤 的概念，并且用连续力学的概念建立了一个新的力学分支，这个新的力学分支后来被称为连续损 3 东南大学硕士学位论文 伤力学。 目前，损伤力学的研究方法分为四种1 6 】：细观方法( 金相学方法) 、宏观方法( 唯象的连续力 学方法) 、统计方法( 随机损伤力学) 和宏细观相结合的方法。细观方法主要研究材料微结构( 微 裂纹和微孔洞) 的形态和变化及其对材料宏观力学性能的影响，因为材料的形态及演化过程发生 在细观层次上。而损伤对材料力学性能的影响则是表现在宏观上的，宏观唯象方法的基础是连续 介质力学和不可逆热力学，其研究目的是在材料材料的本构关系中引入损伤场变量，使得含损伤 变量的本构关系能够真实描述受损材料的宏观力学行为。唯象学方法由于是从现象去研究力学行 为，并结合实验结果来确定模型参数，所以得到的方程是半理论半经验的，所以也较容易用于实 际中，但是其研究难以深入本质，难以切合微细观层次上的实际情况。统计学方法是一种利用概 第l 章绪论 了热力学基础。l u b l i n e r 纠1 0 】给出了基于标量损伤变量的混凝土脆性塑性损伤本构关系。文章根 据单轴拉压试验得到的应力应变全曲线可转化为等效应力应变曲线、且曲线围成面积有限的假 定，分别用单位体积材料拉伸和压缩时的当前塑性能与断裂能的比值表示在拉压工况下的标量损 伤变量，则损伤变量与总应变量相关，省去了损伤准则，屈服函数采用改进的d r u c k e r - p r a g e r 强 度理论。随后，由于模型的简易性和实用性，这一理论在工程界广泛应用，并在应用过程中得到 了进一步发展。在l u b l i n e r 模型基础上，l e e 和f e n v e s 1 1 】【1 2 1 给出了基于热力学原理的混凝土弹塑 性损伤理论。该理论基于混凝土的断裂能，分别用受拉和受压损伤两个变量来描述混凝土不同损 伤状态，屈服函数用多个硬化变量来修正，给出了混凝土的弹塑性动力损伤模型。此模型得到广 泛应用。k o t r o n i s 和m a z a r s 1 3 1 基于m a z a r s 混凝土宏微观损伤模型，给出循环荷载作用下的混凝 土单边损伤模型，用两个损伤变量分别考虑混凝土受拉压损伤性能的差异，考虑了地震作用下的 裂纹开合对刚度的影响，用等效滞回模型来模拟混凝土的滞回特性。f r e d e r i c l l 4 等提出了低应交 率下的混凝土损伤本构方程，继而推导了高应变率下的混凝土损伤本构。二者均为