基于隔离非线性理论的结构地震损伤高效分析方法

作     者：郭勇 余丁浩 李钢 

作者机构：大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 

出 版 物：《工程力学》 (Engineering Mechanics)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

基　　金：辽宁省博士科研启动基金项目(2022-BS-089) 国家自然科学基金项目(52038002,52008075,52225804) 中央高校基本科研业务费项目(DUT23RC(3)030) 

主　　题：材料非线性 弹塑性损伤本构 隔离损伤-塑性 Woodbury公式 结构损伤 

摘      要：基于韧性的地震工程已成为建筑抗震领域的重要发展方向，在进行建筑抗震韧性评估时，对结构在地震作用下的损伤状态进行精准刻画是评估建筑功能损失及可恢复性的基础。现有研究多采用层间位移角、构件杆端转角等唯象的宏观工程需求参数评估结构或构件损伤，然而，对于复杂结构，此类指标不仅难以用来对结构损伤状态进行精细化描述，导致评估结果存在较大的不确定性，也缺乏明确的物理意义，此外，评估结构地震损伤需以非线性动力分析数据为基础，而传统方法在进行此类分析时需实时更新和分解大规模结构切向刚度矩阵，导致计算效率低。针对上述问题，本文基于隔离非线性理论提出了一种高效的结构精细化地震损伤分析方法，该方法首先将非线性材料的应变分解为线弹性、损伤和塑性三部分，并在单元内构造损伤和塑性应变场模型；随后结合虚功原理建立隔离损伤-塑性控制方程，并引入Woodbury公式进行求解，使结构动力非线性分析的主要计算量集中于小规模损伤和塑性矩阵的更新和分解，避免了大规模整体切线刚度矩阵耗时的迭代更新，显著提升计算效率；最后，基于分解出的损伤和塑性应变建立了结构中任意部位的损伤量化计算方法，由于本文方法中引入的损伤和塑性应变不仅具有明确的物理意义，且可在每个增量步的控制方程求解过程中实时获取，因而不仅能够对结构损伤状态进行精准刻画，也可用来对结构在地震作用下的损伤分布及其演化过程进行精细化描述和追踪。