基于应变能密度的砌体剪力墙失效机理研究

配筋砌块砌体剪力墙较之钢筋混凝土结构在节能减排方面有着明显的优势，因此对配筋砌块砌体剪力墙的研究有着较好的前景。本项目基于结构的受力状态研究配筋砌块剪力墙的失效机理。以配筋砌块剪力墙在低周往复荷载作用下的受力性能试验为基础，提出基于应变能密度的结构受力状态参数并建立了参数与外荷载之间的关系。提出开裂荷载、失效荷载及极限荷载包络线的概念并给出相应的计算公式，结合结构受力状态参数与外荷载关系曲线，分别建立了弯曲破坏和剪切破坏配筋砌块剪力墙基于受力状态的失效判定准则，与试验结果的对比分析表明该准则能准确有效的预测配筋砌块剪力墙的开裂、失效和极限荷载。于此同时，基于结构受力状态的理论和研究方法也能应用于网壳结构等其他不同类型的构件，所以该准则的提出为剪力墙结构的分析提供了一种全新的分析方法，同时该方法也可以在将来应用于构件的健康监测等方面的应用中。 2100433B

目前配筋砌体剪力墙结构尚未建立准确可靠的失效判定准则。为此，本项目基于能量原理，建立配筋砌体剪力墙应变能密度分布状态的数值模式，探索该数值模式与失效荷载之间的关系，从而建立基于结构能量分布状态的结构失效判定准则。首先，以配筋砌体剪力墙足尺试验的试验数据为基础，分析结构应变能密度数值模式随荷载幅值的变化规律，寻求表现此数值模式状态的参数；然后分析所建立参数与结构失效荷载之间的关系；进而建立结构的失效判定准则；最后应用有限元分析软件模拟不同荷载工况来验证和完善所建立的结构失效判定准则。本项目从结构应变能密度分布视角，发展的结构分析方法和结构失效判定准则，将丰富结构的分析理论与方法、对完善相应结构设计规范有重要参考价值。

混凝土结构损伤失效机理是结构工程领域极为关注的关键科学问题之一。项目开展了损伤演化规律试验研究、塑性-损伤模型构建和钢筋混凝土仿真程序开发三部分研究。（1）通过混凝土加载试验，测量了应力-应变曲线，获得了混凝土断裂能以及各次循环的累积耗散能密度、刚度模量、残余应变以及卸载终点刚度等物理量。基于损伤变量、耗散能量比、有效应力、塑性应变等物理量，提出了基于有效应力空间描述的损伤演变与塑性流动法则，建立了损伤演化规律的数学表述。（2）建立了考虑网格尺寸影响的混凝土塑性-损伤耦合模型。包括：提出了高效稳定的有效应力与塑性应变迭代算法，保证了计算的求解精度和鲁棒性；基于Bazant钝断裂带理论，提出了不依赖于网格尺寸的损伤评价指标，解决了结构响应和损伤指标的网格尺寸敏感性问题；创新了滞回行为的模拟方法，构造了非线性应力路径上损伤因子的高效迭代算法。采用项目提出的损伤因子等效方法，仿真计算获得的荷载-挠度响应与试验结果吻合程度高，并且不同网格尺寸得到的加卸载曲线相互接近，解决了网格敏感性问题。采用等效损伤因子评估模拟切口梁试验，不同离散网格获得了相近的损伤状态评估，表明等效损伤因子可以作为评价混凝土结构损伤状态的指标。（3）综合混凝土塑性-损伤模型和钢材的随动强化本构模型，开发了钢筋混凝土、钢管约束混凝土结构的仿真分析程序。通过模拟钢管混凝土构件实践，计算得到的构件响应与试验结果吻合良好；采用子模型理论建立了分析复杂混凝土结构损伤机理的研究方法，有效模拟了强震作用下带加强层框架-核心筒结构的非线性损伤过程。项目的研究成果能够更精准地模拟混凝土的损伤破坏行为，解决了仿真分析中网格尺寸导致的敏感性问题，并成功应用于分析复杂混凝土结构的地震弹塑性分析。因此，研究成果可为复杂混凝土结构非线性损伤机理研究提供有效的数值计算方法。 2100433B

混凝土结构损伤失效机理是结构工程领域亟待解决的关键科学问题之一。项目拟从能量耗散观点分析混凝土结构的失效机理，综合应用试验方法与仿真技术，进行损伤规律试验研究、塑性-损伤模型开发和结构仿真分析三项研究工作。首先，开展混凝土试验测量应力-应变曲线，探索基于能量耗散机制并反映多轴应力状态影响的损伤演化规律。然后，开发模拟滞回行为的塑性-损伤模型，分析网格尺寸对损伤因子定义的影响，探寻不依赖网格尺寸的损伤评价指标，研究基于特征循环的高周疲劳加速算法，建立低周、高周疲劳通用本构模型。最后，应用用户自定义子程序在ABAQUS程序嵌入塑性-损伤模型，并结合嵌入式钢筋有限元方法，构建钢筋混凝土仿真分析程序。运用子模型理论，探讨复杂混凝土结构损伤失效机理的快速分析方法，为完善混凝土结构设计理论提供有益的建议。

蒙皮应变监测是临近空间巨型柔性浮空器健康监测的重要组成部分，对临近空间浮空平台的安全运行起到预警作用，而国内外尚无成熟的在线监测方法。已有的蒙皮在线监测系统大多采用电阻应变片或者压电材料等电测法，在实际应用中还存在一定不足。本项目以临近空间巨型柔性浮空器蒙皮作为研究对象，通过表面粘贴式光纤布拉格光栅（FBG）传感技术，对蒙皮应变监测的理论方法进行研究。具体内容包括：建立粘贴式FBG普适结构应变传递理论模型；在普适模型的基础上分别建立蒙皮轴向大应变、平面应变及弯曲应变下粘贴式FBG应变传递理论模型；综合三种理论模型建立蒙皮组合应变下粘贴式FBG传感器应变传递理论模型；通过蒙皮应变监测试验验证所获得的应变传递理论模型。本项目旨在揭示用于蒙皮应变监测的粘贴式FBG应变传递机制，为临近空间巨型柔性浮空器蒙皮健康监测系统的设计奠定理论和技术基础。