【博士】鋼筋混凝土雙軸本構(gòu)建模及在橋墩地震分析中的應(yīng)用【2005】

內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：同濟大學(xué)　　學(xué)位年度： 2005年　　美國加州Northridge地震和日本神戶地震后，對各自的抗震設(shè)計規(guī)范都做了大幅度的修訂。這些規(guī)范與我國新修訂的建筑抗震設(shè)計規(guī)范與城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范以及其它正在修訂的相應(yīng)規(guī)范中都包含有一個相似的規(guī)定，即在一定的地震水甲下要求用非線性動力分析的方法對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬或設(shè)計驗算。但因此時地震輸入過大，結(jié)構(gòu)往往進入了強塑性領(lǐng)域。以前的許多非線性分析方法和彈塑性本構(gòu)模型都已不再適用。需要開發(fā)較為成熟的分析設(shè)計用的計算模犁與程序。　　本文在此背景下，進而針對墩柱的抗震在整個土木結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域，特別是在公路與城市橋梁中所具有的重要現(xiàn)實意義，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目《鋼筋混凝土雙軸滯回本構(gòu)建模及在結(jié)構(gòu)抗震分析中的應(yīng)用》(50178053)，對墩柱抗震中兩個最為重要的部分，即抗震分析和抗震試驗都進行了相應(yīng)的研究。　　 (1)在總結(jié)已有分析手段的基礎(chǔ)上，給出了一種現(xiàn)今一般分析中應(yīng)用較少的二維平面非線性精細(xì)有限元計算模型。該模與其他的二維平面計算模型最大的不同在于，在總結(jié)混凝土本構(gòu)關(guān)系試驗和研究分析方面成果的基礎(chǔ)上，選用并改進了能較好考慮反復(fù)荷載下混凝土材料的Maekawa本構(gòu)模型。該本構(gòu)模型基于大量的試驗結(jié)果，分為開裂前與開裂后兩個部分，開裂前采用等效應(yīng)力應(yīng)變的彈塑性本構(gòu)模型，開裂后在二維彌散正交裂縫的假設(shè)下，本構(gòu)關(guān)系包括正應(yīng)力與剪應(yīng)力兩個方面。正應(yīng)力關(guān)系在分別考慮壓應(yīng)力加卸載過程與拉應(yīng)力加卸載過程的基礎(chǔ)上，通過考慮裂面效應(yīng)的再接觸模型將二者聯(lián)接起來得到拉壓循環(huán)下的混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變性能，考慮了材料的拉伸硬化、裂縫開張閉合，壓區(qū)硬化軟化、平等與開裂方向材料強度和剛度的退化、受壓卸載再加載等因素。剪應(yīng)力關(guān)系方面，采用了包括加載段、卸載段和滑移段的簡化模型，計算中忽略了鋼筋銷栓作用。由于墩柱中配筋規(guī)律，故采用了鋼筋彌散假設(shè)，本構(gòu)采用了雙線性模型，考慮了鋼筋屈服、應(yīng)變硬化、循環(huán)卸載與再加載規(guī)則等因素?！　?(2)對非線性有限元方法進行了研究。非線性有限元的求解方法一般有增量法、迭代法和混合法三種。由于本文的本構(gòu)關(guān)系與加卸載路徑有關(guān)，并且本文要進行加卸載的計算，所以本文中一定要用到增量法。但所以由于本文采用的本構(gòu)模型表達式復(fù)雜，無法得到顯式的本構(gòu)矩陣，剛度矩陣相應(yīng)地也就無法得到，所以無法使用增量法中常用的始點剛度法、中點剛度法或平均剛度法。于是本文只有使用具有增量思想的混合法，并且在混合法中所用的迭代方法只能是常剛度方法。但混合法本身便具有結(jié)合增量法和迭代法優(yōu)點的特點。常剛度迭代法雖然增加了迭代次數(shù)，但避免了每次迭代后對剛度矩陣的重新計算，達到同等精度時一般還快于其它迭代法。計算表明即使使用PC機，總的非線性迭代計算時間還是可以接受的。因此選用常剛度的混合法即是被迫的、也是很好的選擇。本文采用四邊形等參單元和9點高斯積分來保證單元的精度和適應(yīng)性，在每個高斯點運用本文的非線性本構(gòu)模型，可得出等效的裂縫信息。制定了合適的收斂準(zhǔn)則。且在計算時可以對收斂條件進行調(diào)節(jié)，從而保證了某些情況下計算的連續(xù)性和穩(wěn)定性，最后進一步探討了弧長法在有限元方程組計算中的應(yīng)用?！　?3)在混凝土與鋼筋模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合以上的非線性有限元方法，采用八結(jié)點平面應(yīng)力單元建立了鋼筋混凝土二維平面非線性有限元分析模型，使用最近十幾年國際上才發(fā)展起來的目前應(yīng)用還很少的可視化面向?qū)ο笥邢拊夹g(shù)編制了二維非線性有限元計算程序?！　?(4)給出了在墩柱抗震試驗分析中需要考慮的從材料到延性計算方法的各個環(huán)節(jié)對墩柱抗震試驗中需要進行的各項計算的計算內(nèi)容、方法和相應(yīng)的程序給予了較完善的介紹。并在試驗?zāi)康牡闹笇?dǎo)下，根據(jù)這些計算對本文試驗進行了設(shè)計，并提出了以往計算中一些應(yīng)該改進的方面。　　 (5)在總結(jié)已有國內(nèi)外單柱式墩柱的擬靜力試驗的基礎(chǔ)上，考慮到在城市高架和立交等生命線工程中廣泛的使用性，制作了12個1：4的大比例尺小剪跨比墩柱模型，分為兩組分別進行了單向與往復(fù)的擬靜力加載，每組又根據(jù)配箍率的不同分為三組。試驗?zāi)Ｐ投紝儆谛〖艨绫?，試驗最后橋墩都發(fā)生了與橋墩模型設(shè)計時計算結(jié)果較為一致的剪切破壞。得到了眾多測點的位移、應(yīng)變和轉(zhuǎn)角值等試驗數(shù)據(jù)?！　?(6)對試驗結(jié)果進行了分析，對比和分析了小剪跨比墩柱在不同配箍率和工況下的恢復(fù)力曲線、破壞模式、骨架曲線、延性和強度，并對延性性能進行了評估。之后對試驗原型、理想模型與實測模型的參數(shù)差異進行了統(tǒng)計分析，并對試驗原型、理想模型、實測模型的抗彎和抗剪能力和延性等計算結(jié)果和模型試驗結(jié)果進行了對比，借以說明理性模型的可行性、計算方法的正確性和參數(shù)的變異性對試驗結(jié)果的巨大影響，并由此尋找出預(yù)期中結(jié)果與實際試驗結(jié)果不符的原因，為以后的試驗設(shè)計給出本文的經(jīng)驗。并論述了以往試驗中考慮不當(dāng)?shù)囊恍┑胤?。得到小剪跨比的墩柱要得到足夠的延性必須需要相?dāng)高的配箍率?！　?(7)最后，本文使用所編制的程序?qū)υ囼灦罩M行了單向和循環(huán)荷載下的非線性分析，計算結(jié)果與所作的試驗的結(jié)果對比表明計算能較好地模擬墩柱的承載能力和變形性能，并且具有計算量相對較小(相對三維，相對所得到的豐富的結(jié)果信息)、計算過程穩(wěn)定的優(yōu)點。計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好一致，能夠模擬鋼筋混凝土墩柱破壞的全過程，表明了該計算模型的準(zhǔn)確有效，說明該計算方法乃至程序的可行性以及良好的繼續(xù)開發(fā)與應(yīng)用前景?！　?

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