基于近场动力学微极模型的钢筋混凝土破坏行为研究

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混凝土作为一种人工复合材料,被广泛应用于基础设施和各种工程建设领域,促进了经济和社会的发展。然而混凝土内部存在自身缺陷,其损伤和断裂行为对工程结构的可靠性有着显著影响。在外荷载、温度变化等作用下,这些微缺陷会导致钢筋混凝土结构局部区域出现高度的应力集中,逐渐发展成微裂纹,当损伤积累到一定程度时,这些微裂纹将会扩展、交汇、贯通,进而形成宏观裂缝,使钢筋混凝土结构断裂而发生破坏。现有的大多数数值计算方法都是建立在经典连续介质力学框架内偏微分方程形式的基础之上,但由于偏导数的不确定性,限制了这些方法在求解不连续问题中的应用。为了克服经典连续介质理论和计算方法的局限性,近场动力学(Peridynamics,简称PD)理论和方法引起了人们的关注。PD基于非局部作用思想,采用积分方程描述物质点的运动,其规避了传统连续介质力学在位移场不连续问题上的困难,在求解不连续问题时,无需引入额外的裂纹扩展准则,突破了连续性假设和求解空间微分方程的瓶颈,同时其数值计算方法具有无网格的优点,无需网格划分和重构。因此,相比于经典连续介质理论,PD更适合于解决结构的裂纹萌生扩展与渐进损伤破坏问题。为了准确描述钢筋混凝土结构的破坏行为以及损伤演化规律,本文对近场动力学微极模型加以改进,考虑了混凝土材料的弱抗拉强度和强抗压强度,区分了同种材料物质点之间的损伤破坏行为和异种材料物质点之间的损伤破坏行为,弱化了钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土之间的交互作用,同时也优化了混凝土本构模型中受拉屈服后的下降软化段,建立了能准确描述钢筋混凝土结构从微裂纹萌生、扩展、分叉、交汇贯通形成宏观裂纹直至最终破坏全过程的近场动力学计算模型。引入PD准静态算法和冲击接触算法,并验证了其在模拟动力冲击问题时的准确性。开展了钢筋混凝土结构的准静力破坏行为研究,通过数值模拟研究了钢筋混凝土拉拔破坏行为和钢筋混凝土四点弯曲梁破坏行为。探讨了冲击荷载作用下钢筋混凝土矩形梁、柱和T型梁的破坏行为以及不同因素对其动态响应的影响,对冲击荷载作用下钢筋混凝土框架结构的破坏行为进行了模拟分析,研究了不同因素对钢筋混凝土框架结构动态响应的影响。本文的研究成果,可以扩展近场动力学在混凝土结构中的应用范围,同时为混凝土结构的设计以及安全评价提供理论指导和技术支持,具有广阔的工程应用前景。
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