考虑损伤累积的圆钢管本构模型力学行为特点与数值分析

摘要

由于单层网壳结构主要以圆钢管为主，因此圆钢管本构模型更适用于研究单层网壳结构的力学行为。为探究材料损伤累积对单层网壳结构动力响应的影响，本文以圆钢管考虑损伤累积的本构模型为研究对象，通过与Prandtl–Reuss材料本构模型在屈服准则、弹性刚度矩阵、弹塑性刚度矩阵、加载准则、流动法则及应力跌落等方面的对比，分析其力学行为特点，给出其数值积分格式，并基于有限元软件ANSYS开发了考虑损伤累积的用户材料子程序，采用该子程序研究单层网壳在强震作用下的动力响应。结果表明：Prandtl–Reuss材料模型高估了单层网壳结构的抗震性能，考虑材料损伤累积的结构失效时，结构动力极限荷载相比于P–R模型降低了12.24%，绝大多数杆件全截面屈服，形成大量塑性区带。一方面，损伤累积效应会降低结构的动力极限荷载，扩大损伤分布，加深损伤程度，加速结构破坏进程；另一方面，也将造成结构的失效模式由动力失稳向强度破坏转变。本文基于有限元软件ANSYS开发的考虑圆钢管损伤累积的材料子程序具有较高的计算精度，且其数值积分策略及用户材料子程序有效、可行，能够为单层网壳结构的抗震性能提供更加精确的分析与工程设计。

关键词

圆钢管 / 损伤积累 / 力学行为特点 / 数值积分格式 / 应力跌落 / 用户材料子程序

基金资助

广西重点研发计划项目（桂科AB19259013）; 中铁隧道集团四处有限公司科技研发项目（BB30300105）; 国家自然科学基金青年基金项目（12102095）; 广西高层次人才项目（T3030097947）; 广西创新驱动重大专项（桂科AA18118055）; 广西青年创新人才科研专项（桂科AD20159080）