基于最小耗能原理的黏弹塑性损伤模型

在基于“应变等效假定”和“余应变能等效假定”两种不同损伤力学基本假定的黏塑性损伤本构方程基础上,将最小耗能原理应用于固体介质的黏弹塑性问题,给出了损伤材料的黏塑性应变流变速率、黏塑性损伤发展速率和黏弹-塑性材料积累应变强弱化速率的非线性演化发展方程,建立了两个不同的黏弹塑性损伤模型（A和B）,并进行了试验验证。作为算例,最后运用黏塑性损伤模型A,对地震荷载作用下建于岩石基础上的某混凝土重力坝的动力损伤问题进行了分析,结果表明该模型应用于混凝土重力坝的动力损伤分析是可行的。     

基于地表冲击荷载作用下的城市地下空间结构动力响应分析

由于地震效应、重载车辆的震动效应或由于不同爆炸物引起的强烈冲击效应,都会给城市地下空间结构带来较大的影响。通过土体的混凝土改进剑桥动力本构模型和混凝土塑性损伤本构模型,建立地表爆炸冲压荷载简化计算模型,对城市地下空间结构在TNT当量100 kg的炸药爆炸冲压荷载作用下进行了动力分析,研究了结构埋深、土体刚度对结构动力响应的影响,分析了远场爆炸地震波作用下地下空间结构的动力响应。计算结果表明,地下空间结构中部顶板产生了轻微的拉伸损伤;当埋深小于5 m时,结构动应力响应较大;结构覆盖土刚度越小,土对爆炸能量的吸收作用越显著;由于爆炸产生的地震波频率高,其对结构动应力的影响较小。研究结果对地下结构的抗爆设计具有一定的参考意义     

考虑岩体本构及结构尺度效应的地下洞室模型有限元分析

对于地下洞室围岩稳定而言,存在两种尺度效应：一是本构尺度效应,二是结构尺度效应。在地下洞室模型的有限元分析中考察了两种尺度效应的作用。拟定了两种工况：①围岩中任一点的力学性质是该点到洞室中心距离的负幂函数,洞室由小到大,即同时考虑本构尺度效应和结构尺度效应;②围岩的力学性质一定,洞室由小到大,即只考虑结构尺度效应。对两种工况进行了平面应变弹塑性计算,分析了围岩中的应力、位移、及塑性区。从研究结果可知：当考虑岩体力学性质的尺度效应时,洞室围岩中的位移及塑性区均较小;而应力值较高,而不考虑岩体力学性质的尺度效应时的情况与之相反。     

基于CLoE亚塑性模型的密砂循环荷载下力学行为模拟

亚塑性模型为模拟颗粒材料的非线性力学行为提供了一条新途径,特别是CLoE亚塑性模型在模拟应变局部化时具有一定的优势。然而该模型在模拟小幅应力-应变循环时表现出一定的锯齿效应。为了克服该效应,基于颗粒间应变张量的概念发展了修正的CLoE亚塑性模型以正确模拟循环荷载下密砂的力学行为。此外,为保证单调荷载作用下修正模型与原模型预测结果的一致性,改进了颗粒间应变率及颗粒间最大应变的定义。数值算例表明:（1）修正模型保留了克服锯齿效应的优点。（2）修正模型能够反映不同振幅条件下的卸载刚度。（3）在大振幅循环条件下,滞回圈的面积随着循环次数增加而增大。（4）修正模型能够保证单调加载条件下所得结果与原模型的一致性。（5）修正模型可以反映材料的疲劳破坏机制。     

阪神地震中大开地铁车站震害机制数值仿真分析

1995年阪神地震中,神户市的地下结构遭受了严重的破坏,尤其是地铁车站的破坏最为严重,其中大开地铁车站有一半以上的中柱发生坍塌,导致地面坍塌近2.5 m。对大开地铁车站的震害进行了全面地描述,基于大型商用有限元软件ABAQUS,采用在该软件上二次开发的土体非线性黏弹性动力本构模型模拟土在循环荷载作用下的动力特性,采用黏塑性动力损伤模型模拟混凝土在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,对大开地铁车站的非线性地震反应进行了数值仿真分析,给出了破坏演化过程,把有限元分析的结果与大开地铁站的实际震害现象进行了对比,结果表明：数值仿真分析结果能够合理地解释大开地铁车站的主要震害现象,建模方法能够被用来进行地下结构的非线性地震反应分析。     

循环荷载作用下饱和软黏土的损伤模型

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软黏土的弹塑性动力损伤本构模型。由循环累积塑性偏应变建立损伤演化方程,以描述循环加载对软黏土结构的破坏作用,并通过对循环三轴试验的模拟验证了模型的有效性。结果表明,提出的模型能较好地描述饱和软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压变化及模量损伤过程。     

地震作用下丰满重力坝的塑性损伤

基于混凝土塑性损伤本构模型,将可以表征材料和结构渐进破坏的损伤变量作为内变量,考虑了混凝土拉压异性的损伤变量,利用有限元软件ABAQUS,对丰满混凝土重力坝在经受地震作用下的结构损伤区域的发展变化进行安全性评价。在数值计算过程中,对于受地震荷载作用所引起的地面水平运动而导致大坝水位水平运动对坝体的影响,通过扩充后的广义Westergaard公式予以计算模拟。通过分析得到了丰满大坝在地震作用下的塑性损伤破坏情况,并评价了丰满大坝的安全性,亦说明利用损伤力学对大坝进行安全性评价是一个可行的方法。     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

模糊随机损伤非线性性态

从损伤形成的宏、微观机理出发揭示了损伤演化的模糊性和随机特征,提出了损伤泛函成立于模糊、随机双层数学覆盖之下进而构建了研究广义损伤泛函的广义非确定空间。提出了非线性损伤发展所依据的初始应力场;基于三种典型模糊损伤分布：降半分布、秋千分布、组合秋千分布,提出了平面应变下服从随机β分布的各向异性初始模糊随机损伤场,并基于初始模糊随机损伤有效张量给出粘-弹-塑性初始损伤应力场的模糊随机数值模型。提出并构造了损伤矢量临界值算法并基于此推导了平面应变条件下的损伤有效张量及模糊随机有效弹性矩阵族;由损伤材料粘-弹-塑性应变率演化通式提出了基于修正Mohr-Coulomb损伤破坏准则的粘-弹-塑性模糊随机损伤本构模型。就土方开挖的损伤增益特征,提出并构造了基于模糊衰减模型的模糊随机损伤增量方程,实现了对粘-弹-塑性模糊随机损伤增量方程卸载模型的全面阐述。考虑场内参数的空间离散及随机变异特征,借助本文提出的非线性模糊随机损伤力学模型,就某典型基坑工程开挖进阶过程中的损伤演变及广义可靠性进行了深入探讨,过程揭示了模糊随机损伤模型可以根据场内结构及材料强度耗散情况随时对损伤分布做出调整,以充分反映材料细观粒子间的凝聚或断裂造成的岩土结构宏观方面硬化-屈服-破坏-重分布-愈合等复杂力学性征,得到的规律性认识对于实现岩土工程全面化、精确化分析研究有重要意义。     

地下洞室地震动力响应的岩体结构控制效应

为了评价在层间错动带C2影响下白鹤滩地下洞室群尾调室在地震作用下的稳定性,针对其在试验中表现出来的明显的延性及法向荷载依赖性等特征,一种非线性的连续屈服（CY）模型被采用,用来描述层间错动带在静力以及地震动力作用下的复杂力学特性。在CY模型中,非连续面的变形特性采用幂函数形式表述,并且考虑了剪切破坏过程中强度的渐进性破坏。CY模型预测的C2错动带的力学行为与试验获取的结果相比较差异非常小,证明了CY模型在静力作用下的适用性。基于位移非连续假设的应力波透射理论被用来论证CY模型在动态作用下的适用性,同时将结果与线性结构面本构模型的结果进行了对比。比较结果表明,CY模型预测的规律与已有文献利用其他非线性模型得到的结论基本相同,并优于线性本构模型,理论结果在数值软件中得到了验证。3条地震波在经过特殊的反应谱匹配处理后,对白鹤滩地下洞室左岸1#尾调室进行了地震动力响应分析。分析结果表明,C2错动带在地震作用下对尾调室的变形及稳定性有明显的控制作用。地震作用下洞室整体运动趋势以刚体位移为主,岩体间相对变形为辅。相对变形中,错动带C2的相对变形占据了较大的成分。C2的相对变形以接触面上下盘的切向错动变形为主,主要发生部位为洞室顺C2走向的部位;结构面上、下盘法向变形为辅,主要发生在洞室顺C2倾向部位。通过超载法,获取了洞室的地震动力安全裕度。当超载系数从2增加到3时,C2的剪切变形、洞室的塑性区指标均剧烈增加,显示洞室的安全裕度大约在2～3之间,即洞室最大可抗拒峰值加速度为438g～657g的地震动作用。研究结论可供地下洞室的抗震设计与分析参考。     

Continuum large cracking in a rate‐dependent plastic–damage model for cyclic‐loaded concrete structures

Formulation and algorithmic treatment of a rate‐dependent plastic–damage model modified to capture large tensile cracking in cyclic‐loaded concrete structures are presented in detail for a three‐dimensional implementation. The plastic–damage model proposed by Lee and Fenves in 1998 was founded based on isotropic damaged elasticity in combination with isotropic multi‐hardening plasticity to simulate cracking and crushing of concrete under cyclic or dynamic loadings. In order that the model can capture large crack opening displacements, which are inevitable in plain concrete structures, the excessive increase in plastic strain causing unrealistic results in cyclic behaviors is prevented when the tensile plastic–damage variable controlling the evolution of tensile damage is larger than a critical value. In such a condition, the crack opening/closing mechanism becomes similar to discrete cracking. The consistent tangent operator required to accelerate convergence rate is also formulated for the large cracking state including viscoplasticity. The validation and performance of the modified algorithm implemented in a special finite element program is exemplified through several single‐element tests as well as three structural applications. The last example examines the model in the seismic fracture analysis of Koyna dam as a benchmark problem and the resulting crack profile is compared with the available experiment. The numerical experimentations well demonstrate that the developed model whose modification is necessary to properly simulate the cyclic behavior of plain concrete subjected to large tensile strains is robust and reasonably accurate. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究

地下结构地震破坏过程模拟是研究地下结构抗震性能的有效手段,通过人工边界条件设置将围岩土体的自重应力作为动力响应模拟的初始状态,实现了地下结构地震响应静-动力耦合数值模拟。基于有限元分析软件ABAQUS,将极限剪应变作为破坏标准,采用生死单元法模拟了地下结构的地震破坏过程,通过结构埋深考虑了初始地应力对地下结构抗震性能的影响。模拟结果表明,地下结构的抗震性能存在一个最不利埋深,即最容易地震破坏的埋深,当结构的埋深超过最不利埋深时,结构的极限抗震能力增强,若结构产生地震破坏,则结构埋深越深即初始地应力越高其破坏程度也越强。     

Numerical Analysis of Blast-Induced Stress Waves in a Rock Mass with Anisotropic Continuum Damage Models Part 1: Equivalent Material Property Approach

Summary This paper uses the concept of anisotropic damage mechanics to analyze dynamic responses of a granite site under blasting loads. An anisotropic continuum damage model is suggested to model rock mass behavior under blasting loads. The effects of existing cracks and joints in the rock mass are considered by using equivalent rock material properties obtained from both field and laboratory test data. The anisotropic damage accumulations are simulated by continuous degradation of equivalent material stiffness and strength during loading process and are calculated using the exponential function with respect to the principal tensile strain in three directions. The suggested models are programmed and linked to an available computer program Autodyn3D through its user's subroutine capability. Stress wave propagation and damage zone in the rock mass induced by underground explosions are simulated. Numerical results of damaged area, peak particle velocity and acceleration attenuation as well as acceleration time histories and Fourier spectra are compared with those from independent field tests.     

关于地铁地震响应的模型振动试验及数值分析

为明确大地震时地铁的破坏过程及原因,以1995 年日本阪神－淡路大地震中遭受严重破坏的神户大开地铁车站为对象,进行了一系列的模型振动试验和动力有限元分析。对于作用于地下结构的地震动土压的发生原理、地震波输入方向、结构的埋设深度、地基与结构间的刚性比对地震动土压的影响及在地基-结构系统的非线性响应下结构周围地基终局状态时的地震动土压进行了研究。明确了地震动土压的极限值及在大地震时周围地基的残余应变引起的静止土圧力的存在。为今后改进地震土压力计算方法、提高地下结构抗震设计水平提供了依据。     

可液化土中地铁结构的地震响应

在饱和土耦合作用与土和结构相互作用理论基础上,以地铁车站为例,用有限元法研究地下结构在地震液化作用下的响应。所采用的软件为动力两相体非线性有限元软件Dyna-Swandyne-II,该软件可以应用先进的Pastor-Zienkiewicz III广义塑性模型模拟可液化土的动力特性,应用u-p形式的Biot方程,在有限元分析中充分考虑孔隙水与土之间的耦合,同时考虑地下结构与饱和土在动力作用下的非线性相互作用。分析了地铁车站的动力响应,包括地铁内力、加速度以及地铁位移。研究结果表明,地铁结构在地震液化作用下会产生较大的上浮,从而对结构造成比较严重的破坏;地铁结构在地震作用下的最大内力位于结构的交接处。因此,结构交接处的配筋应该格外小心。     

一种简单的岩体地下洞室地震安全评价方法

提出了动应力集中因子代表值的概念,以合理反映地震荷载作用下地下洞室围岩的动应力集中程度,并将动应力集中因子代表值,作为洞室地震响应的关键特征来衡量洞室地震响应的大小。应用显示有限差分法,讨论了地震动加速度幅值、洞室埋深、围岩岩体级别、衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土强度等级与动应力集中因子代表值的相关关系。研究表明,动应力集中因子代表值与这5个因素均近似呈线性关系。在此基础上给出了有（无）衬砌支护结构两种情况的地震安全评价公式,提出了岩体地下洞室的地震安全评价方法。应用提出的评价方法,分别对唐山余震地震作用下溪洛渡水电站超大型地下洞室群的地震安全性进行了评价,所得结果与Dowding-Rozen及Sharma-Judd的评价方法结果一致。分析还表明,文中提出的岩体地下工程的地震安全评价方法的评价结果是偏于安全的。     

Seismic performance evaluation of dam-reservoir-foundation systems to near-fault ground motions

Ground motion records obtained in recent major strong earthquakes have provided evidence that ground motions recorded near the near-fault regions differ in many cases from those observed further away from the seismic source. As the forward directivity and fling effect characteristics of the near-fault ground motions, they have the potential to cause more considerable damage to structures during an earthquake. Therefore, understanding the influence of near-fault ground motions on the performance of structures is critical to mitigate damage and perform effective response. This paper presents results of a study aimed at evaluating the effects of near-fault and far-fault ground motions on seismic performance of concrete gravity dams including dam-reservoir-foundation interaction. Koyna gravity dam is selected as a numerical application. Four different near-fault ground motion records with an apparent velocity pulse are used in the analyses. The earthquake ground motions recorded at the same site from other events that the epicenter far away from the site are employed as the far-fault ground motions. The seismic performance evaluation method based on the demand-capacity ratio, the cumulative overstress duration and the spatial extent of overstressed regions is presented. The concrete damaged plasticity model including the strain hardening or softening behavior is employed in nonlinear analyses. Nonlinear seismic damage analyses of the selected concrete dam subjected to both near-fault and far-fault ground motions are performed. The results obtained from the analyses show the effects of near-fault ground motions on seismic performance of concrete gravity dams and demonstrate the importance of considering the near-fault ground excitations.     

An Elasto-Plastic Constitutive Model for Rock Joints Under Cyclic Loading and Constant Normal Stiffness Conditions

An elasto-plastic constitutive model is introduced for rock joints under cyclic loading, considering the additional shear resistance generated by the asperity damage in the first forward shear cycle and sliding mechanism for further shearing. A series of cyclic loading direct shear tests was conducted on artificial joints with triangular asperities and replicas of a real rock asperity surface under constant normal stiffness (CNS) conditions. The model was calibrated and then validated using selected data sets from the experimental results. Model simulations were found to be in good agreement with the rock joints behaviour under cyclic loading and CNS conditions both in stress prediction and dilation behaviour. In addition, dynamic stability analysis of an underground structure was carried out, using Universal Distinct Element Code and the proposed constitutive model.     

高烈度区双洞隧道洞口段地震响应分析与振动台模型试验

强震作用下,隧道地下结构损伤严重,其中洞口段更是抗震的薄弱环节,但其影响规律和特点目前尚缺乏系统的计算分析和研究。以强震区扯羊隧道为例,首先采用FLAC3D对双洞隧道洞口段地震响应进行分析,再用模型试验的方法进行洞口段模型试验,测量其地震响应应变规律,观测其震害发展情况,并与数值分析结果相互验证。结果表明:地震作用下,隧道仰拱横向位移较大;随着隧道埋深增加,内力逐步增加,其中墙角部位内力较大;洞口处隧道围岩在强震作用下会产生贯通性裂缝,影响隧道洞口稳定;地震作用下的明洞与暗洞交接处内力较大;地震作用下的双洞隧道之间存在较强的动力相互作用。