钢筋混凝土结构破坏全过程的MFPA模拟

摘要

近年来，随着土木工程、水利水电工程、铁路隧道工程等的迅速发展，钢筋混凝土结构的应用越来越广，对于钢筋混凝土结构的研究也越来越多，这些研究主要集中在钢筋混凝土的变形和极限强度问题上，而对于钢筋混凝土结构破坏全过程的研究较少。目前国内外有一些钢筋混凝土结构破坏的实验研究，但由于钢筋混凝土结构力学性能的复杂性，试验和量测手段的局限性，无法从试验中得到结构的全部力学性能，因此，需要其它方法与试验相结合来分析结构的力学性能，在试验研究的同时出现了数值模拟研究。20世纪60年代美国学者把有限元法引进到钢筋混凝土结构数值模拟分析中来，开始了钢筋混凝土结构的数值研究，取得了一定成果。但有限元模型的解决方法仍有不足之处，基于有限元基本理论的数值模拟方法的结构计算要求变形连续协调，对于钢筋和混凝土之间存在的不连续介质力学问题，应用有限元法很难计算。
　　 由东北大学岩石破裂与失稳中心开发的复合材料破坏全过程分析系统MFPA2D，为研究钢筋混凝土结构的破坏提供了一种可行的方法。MFPA系统数值模型采用具有残余强度的弹脆性本构模型，引入统计分布函数，反映了混凝土的非均匀性影响；认为单元应力达到破坏准则发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非连续介质问题。
　　 采用MFPA2D数值模拟系统，对钢筋混凝土结构破坏全过程进行数值模拟，研究内容及结果包括以下三方面：
　　 首先，对钢筋混凝土梁进行数值模拟。选用参考文献的试验模型，对钢筋混凝土梁施加对称集中荷载的四点弯曲受力形式进行数值模拟，给出模拟结果，主要有结构破坏过程的应力、位移变化及破坏形式，还有试验很难获得的声发射能量与声发射次数等。通过数值模拟结果与相应试验结果的比较分析，发现数值模拟结果在一定程度上和试验结果有着较好的一致性。在数值模拟中，采用了文献中的500MPa高强钢筋作为梁的受力筋，同时也进行了用普通钢筋HRB335作为受力钢筋的梁的数值模拟，对两者的模拟结果进行对比，发现500MPa高强钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁的受力性能、变形规律、裂缝发展等破坏过程基本相同，从而为高强钢筋在钢筋混凝土梁中的应用研究提供了一定的参考。
　　 其次，对钢筋混凝土柱进行数值模拟。模拟主要考虑了大偏心受压和小偏心受压两种情况，模拟结果包括应力、位移和声发射能量等。该模拟也采用了相应的试验模型作为模拟的数值模型，目的是便于和试验进行比较分析。通过两种偏压形式的模拟结果比较，得出大小偏心受压的各自受力、变形和破坏特点，与试验结果基本吻合。
　　 最后，对钢筋混凝土框架结构进行数值模拟。数值模拟了钢筋混凝土单层框架的受力变形和破坏，为框架结构的研究提供了一定参考。
　　 通过上述三方面的数值模拟研究，证实了MFPA2D数值模拟在钢筋混凝土梁、柱、框架等方面研究具有一定的参考价值，为钢筋混凝土结构的研究提供了一种新的方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 钢筋混凝土结构破坏过程研究现状

1.2 数值模拟方法研究现状

1.2.1 有限元模型

1.2.2 离散单元法

1.2.3 无网格法

1.2.4 数值流形方法

1.2.5 有限覆盖无单元法

1.2.6 渐进破坏模型

1.2.7 耦合方法

1.3 本文研究工作

第2章 MFPA数值模拟方法研究现状

2.1 MFPA系统简介

2.1.1 MFPA系统的开发和基本思想

2.1.2 MFPA系统的原理

2.1.3 MFPA系统的功能

2.1.4 MFPA系统的使用特点

2.2 MFPA数值模拟软件的应用

2.2.1 MFPA系统开发之初的应用

2.2.2 MFPA系统应用的扩展

2.2.3 MFPA数值模拟系统的最新应用

第3章 钢筋混凝土四点弯曲梁破坏过程数值模拟

3.1 试验概况

3.2 数值模型的建立

3.2.1 模型的尺寸及加载方式

3.2.2 力学参数说明

3.3 数值模拟结果和试验比较

3.3.1 数值模拟结果图

3.3.2 钢筋混凝土梁破坏过程分析

3.3.3 荷载-挠度曲线分析

3.3.4 单元截面应力曲线分析

3.3.5 破坏过程声发射分析

3.3.6 裂缝扩展分析

3.3.7 500MPa钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁比较分析

3.3.8 纯弯段不配箍筋梁的数值模拟

3.4 本章小结

第4章 钢筋混凝土偏心受压柱破坏过程数值模拟

4.1 试验概况

4.2 数值模型的建立

4.3 数值模拟结果与试验比较

4.3.1 大偏压柱和小偏压柱破坏过程对比

4.3.2 荷载-位移分析

4.3.3 大偏心和小偏心受压构件的钢筋受力比较

4.3.4 声发射和能量分析

4.4 本章小结

第5章 钢筋混凝土框架结构破坏过程数值模拟

5.1 试验模型

5.1.1 试件设计

5.1.2 试验方案

5.2 数值模型的建立

5.3 数值模拟结果分析

5.3.1 弹模图和应力图

5.3.2 破坏过程分析

5.3.3 梁跨中、柱顶和梁端截面应力分析分析

5.3.4 破坏过程声发射分析

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢