基于组合多点约束法的钢筋混凝土构件多尺度建模分析

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结构在荷载作用下的破坏一般源于细观尺度的材料失效,进而宏观尺度的整体结构因局部破坏而失去承载能力。针对结构的跨尺度失效过程,多尺度分析理论通过建立不同尺度的单元模型,可以同时模拟结构的宏观整体行为和局部细观破坏,并提高计算效率。但是,目前的一致多尺度模型往往采用单一的多点约束方法建立,存在界面过约束和结构非线性分析受限等问题。本文针对结构一致多尺度界面约束关系,建立了基于位移和能量的组合多点约束法;并运用钢筋混凝土构件非平截面应变函数,对非线性阶段的组合多点约束方程进行了优化;同时,通过多尺度构件粘结滑移性能模拟,验证了考虑滑移作用后组合多点约束法的有效性。主要成果有以下几方面:一致多尺度组合多点约束方法研究。针对模型复杂受力下单一多点约束方法存在的约束不合理问题,通过位移方程和能量方程在界面不同自由度方向的联立,建立了基于位移和能量的组合多点约束法(CMPC),并推导了典型多尺度连接的组合约束方程表达式。通过钢筋混凝土多尺度模型受力分析,证明CMPC法符合界面节点变形约束关系,提高了钢筋混凝土构件塑性阶段的多尺度模型精度。基于非平截面的CMPC法优化研究。运用弯矩-轴力作用下的混凝土非平截面应变函数,对平截面组合约束方程进行了分阶段修正。通过算例屈服前和屈服后两阶段分析,非平截面CMPC方程符合受弯构件塑性阶段的截面变形规律,可以有效改善结构细观和宏观变量的计算精度。基于钢筋混凝土结构等效塑性铰理论,分析了非平截面位置的选择对于多尺度模型计算精度的影响,得到了框架柱多尺度模型的合理界面选取范围。考虑粘结滑移的CMPC多尺度模型性能分析。基于钢筋粘结滑移本构关系建立粘结滑移单元有限元模型,研究钢筋滑移作用下CMPC法多尺度模型的力学性能。通过建立对比模型,分析了钢筋滑移对多尺度界面细观特性和结构宏观特性的影响,结果表明多尺度模型破坏形态与精细模型基本吻合,证明了考虑钢筋滑移作用后CMPC法界面约束关系的有效性。
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