装配式混凝土结构拼接区精细化分析模型与整体损伤演化研究

Precast concrete structures are greatly promoted in China recently. However, the fundamental research of precast concrete structures, especially the efficient numerical models and damage assessment methods, cannot keep up with the demand of the development. This project tries to focus on the characteristics of the key connecting parts of precast concrete structures, e.g., large shear deformations and poor bond conditions, study the micro mechanism of the local joint region and develop a multi-dimensional concrete damage model considering the shear mechanism of reinforced concrete, and a one-dimensional equivalent stress-slip strain model for reinforcement bars considering bar slippage. Combing the above-mentioned models with the famous fiber beam element and multi-layered shell element, the damage index expressions at different levels (section-member-structure) can be derived based on the material damage state. The global damage evolution is then investigated to find out the origin of the macro damage and the transfer mechanism of the micro damage to macro damage. Systematic cyclic loading tests of a kind of typical precast concrete beam-to-column connections are then performed to validate the proposed models in different levels. Meanwhile, according to the failure extent of the specimens observed in the tests, the damage status system can be established, providing the theoretical foundation and technical support for developing performance-based design method of precast concrete structures.

我国正大力推广装配式混凝土结构的工程应用，而有关装配式混凝土结构的基础理论研究，特别是高效的数值分析模型与损伤评估方法，明显赶不上发展的需求。本项目拟针对装配式混凝土结构关键连接部位的特点，如剪切变形明显、粘结性能较差等，深入分析拼接区的细观受力行为，从材料层次入手，建立可以反映钢筋混凝土剪切机理的混凝土多维损伤本构模型，以及考虑粘结滑移效应的钢筋等效本构模型；将上述精细化模型与纤维单元、分层壳单元结合，基于材料损伤推导不同层次（截面-构件-结构）的损伤指标计算表达式，进行结构的整体损伤演化规律研究，揭示宏观损伤的产生机理以及细-宏观损伤的转化机制；通过典型的装配式混凝土框架节点试验，在不同层次上验证所提出的模型，并基于试件的破坏程度建立损伤状态分级体系，为建立装配式混凝土结构的量化性能设计方法提供理论基础与技术支持。

装配式混凝土结构是工业化建筑最重要的体系之一，具有提高质量、缩短工期、减小能耗和绿色施工等优点，因此我国正大力推广该结构的实际应用。针对装配式混凝土结构整体性差、 抗震性能不足的问题，本项目以其薄弱环节—局部拼接区作为研究切入点，展开了拼接区受力机理和整体损伤演化研究。主要包括：（1）建立了一类可以反映拼接区剪切机理的混凝土多维损伤本构模型，该模型基于宏观损伤力学框架，引入了经典弥散裂缝模型中的正交软化效应来修正混凝土受压损伤演化，反映剪切作用下主拉方向应力引起的主压方向强度的降低，同时，基于BFGS割线模量进行应力更新，显著提高了计算效率和稳定性；（2）针对不同的钢筋构造形式（水平、弯起、U形等），基于静力平衡和变形协调，推导了不同锚固长度下的钢筋的应力-滑移关系，并基于钢筋变形为其自身变形与滑移量之和的原则，修正了钢筋应力-应变关系，建立了可以考虑粘结滑移效应的钢筋等效一维本构模型。（3）基于Timoshenko梁理论，采用静力凝聚的方式，实现混凝土多维应力、钢筋一维应力状态描述，建立了综合反映弯-剪耦合、粘结滑移的增强型纤维单元；同时，采用塑性铰积分方案进行单元积分求解，并实现塑性铰长度的自动计算与更新，通过将单元端部积分点的权重设置为塑性铰长度，避免了积分敏感性问题；（4）基于上述梁单元，并结合无条件稳定显式积分算法，建立了装配式结构的整体动力反应分析的高效方法，且成功应用于装配式混凝土结构的抗连续倒塌、抗震的损伤演化分析中。本项目合计发表SCI论文18篇（其中JCR Q2以上16篇），申请国家发明专利8项（其中授权1项），授权软件著作权3项，培养博士研究生2名，硕士研究生4名，获上海市科技进步一等奖1项。项目成果可为装配式混凝土结构的地震损伤演化规律与抗震设计方法研究提供理论工具与技术支持，具有重要的理论意义和工程实用价值，有利于装配式混凝土结构在我国的进一步应用。