考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析研究

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1、考虑材料损伤演化的结构失效过程与抗震性能分析国家自然科学基金重大研究计划项目：“重大工程结构损伤破坏非线性效应的多尺度模拟与分析"(项目批准号：90715014)专业：回生左堂研究生：、江!!!玺堡导师：奎型邕霞教援中国南京东南大学二零一零年五月一令一令，平丑月Analysesonstructuralseismicandfailureprocessbyconsi'l·-damageevolutionADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityForthe

2、AcademicDegreeofMasterofEnginBYJIANGFengfeng一一SupervisedbyProf．LIZhaoxiaCollegeofCivilEngineeringSoutheastUniversityMay2010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

3、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

4、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

5、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ABAQUS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

6、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Lemaitre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Lemai(re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

7、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ABAQUS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ABAQUS的用户子程序接口UMAT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

8、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Lemaitre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