钢筋混凝土构件受荷破坏过程的数值模拟-结构工程专业论文.docxVIP

第一章 绪论硕士研究生学位论文 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 PAGE 2 硕士研究生学位论文第一章 绪论 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 PAGE 3 可为改善钢筋和混凝土的力学性能提供依据，对工程应用有一定价值，数值模拟将会在 一定范围内取代实验研究，具有良好的发展前景。 1.2 数值模拟方法研究现状 目前国内外有一些研究钢筋混凝土结构的数值模拟方法，如用 ANSYS 研究钢筋混凝 土的弹塑性问题，用三维有限元方法计算模拟钢筋混凝土吊车梁，用 MSC.MARC 软件模拟 钢筋和混凝土的相互作用等。也有一些钢筋混凝土结构破坏的实验研究，但对于钢筋混 凝土结构破坏全过程的数值模拟还很有限，并且发展的时间也很短，如利用无网格方法 分析钢筋混凝土梁开裂问题，用离散单元法模拟钢筋混凝土结构破坏过程等 [4]-[7] 。RFPA 分析系统的开发，已经成功地研究了混凝土的破坏过程，但对于钢筋混凝土的研究还不 足，有偏心加载钢筋混凝土结构破坏过程的数值模拟。钢筋混凝土结构是目前应用最广 泛的结构形式之一，钢筋混凝土结构破坏的数值模拟研究，可为改善钢筋和混凝土的力 学性能提供依据，对工程应用有一定价值，数值模拟将会在一定范围内取代实验研究， 具有良好的发展前景。结构破坏数值模拟方法的研究主要有以下几方面： 1.2.1 有限元模型 用有限元法分析钢筋混凝土结构与一般固体力学中的有限元分析原理和方法是类似 的，而在进行结构离散化时又有其特殊性，因为钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种不 同的材料组成，所以在建立钢筋混凝土结构的有限元模型时要考虑到力学性质不同的两 种材料的共同受力和各自的不同响应问题。但是有限元法主要解决的是连续介质力学的 问题[8]。 1.2.2 离散单元法 目前，钢筋混凝土结构的力学性能和破坏状况的数值模拟一般都采用有限元法，但 有限元方法所研究的对象主要是连续体，而对于钢筋混凝土结构在爆炸冲击、地震等动 荷载作用下的破坏过程，则是一个从连续到不连续，直至破坏的过程，因而采用有限元 法进行模拟并不一定合适，而且有限元法在处理非线性问题时的单元刚度矩阵的推导十 分复杂。因此，对于工程结构破坏过程的模拟尚需寻找新的分析方法。离散单元法 (Discrete Element Method)是 20 世纪 70 年代发展起来的一种分析节理岩石的数值计算 方法，其基本思想最初是由美国学者 Cundall 提出的，它可用来模拟岩石等非连续体的 断裂和破坏过程[9]-[12]。 1.2.3 无网格法 现有的基于网格划分的方法均是基于单元离散思想的，在分析裂纹扩展时，都面临 两方面的问题：1)网格重新划分的问题；2)裂纹扩展结果受到网格划分形式严重影响的 问题。无网格方法因具有无须单元网格划分、前后处理简单、较传统有限单元法更适合 断裂问题的计算分析等优点，而受到学术界广泛关注。无网格方法将整个求解域离散为 独立的节点，而无须将节点连成单元，它不需要划分网格，从而克服了有限元法在计算 过程中要不断更新网格的缺陷。 1.2.4 数值流形方法 将连续变形与非连续变形统一起来的方法更适于进行实际变形的分析，因此，近年 来另一种更新的数值方法——流形方法引起了国内外学者的广泛兴趣。流形方法的优点 主要表现在它具有相对完善的非连续变形处理功能，可以在统一的数学理论框架下同时 处理连续问题与非连续问题。数值流形方法(Numerical Manifold Method)是一种新兴的 数值计算方法，是由石根华博士于 1991 年提出，近几年取得了不少进展。该方法是应用 流形的覆盖技术建立的一种把有限元法、非连续变形分析方法和解析方法包含在内的全 新的统一计算方法。数值流形方法的基本思想是将微分几何的流形原理引入材料分析， 以拓扑流形与微分流形为基础，同时吸收有限元中插值函数构造方法与非连续变形分析 中块体运动学理论两方面的优势，把连续和非连续变形力学统一起来[13]-[15]。 1.2.5 有限覆盖无单元法 有限覆盖无单元法是一种基于有限覆盖技术和无单元法的数值计算方法。有限覆盖 技术是数值流形方法的基础，由于数值流形方法具有统一处理连续与非连续问题的能 力，而无单元法的前处理比较简单。因此有限覆盖无单元法综合了数值流形方法与无单 元方法的优点，能够更有效地处理非连续性问题[16][17]。有限覆盖无单元法着重将这种方 法应用于应力强度因子计算和裂纹扩展模拟问题。 1.2.6 渐进破坏模型 岩石细观损伤演化实验表明，岩石断裂破坏的实质是岩石在受力过程中微裂纹的萌 生、扩展直至贯通的结果，是岩石微观结构变形破坏累积的宏观反映。现有的各种数值 计算方法，仍然只能处理连续介质力学问题，即使一些非连续介质力学方法也难以考虑 岩石从细