【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】

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　　學(xué)科專(zhuān)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(jì)大學(xué)　　學(xué)位年度： 2005年　　美國(guó)加州Northridge地震和日本神戶地震后，對(duì)各自的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都做了大幅度的修訂。這些規(guī)范與我國(guó)新修訂的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范與城市橋梁抗震設(shè)計(jì)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(gè)相似的規(guī)定，即在一定的地震水甲下要求用非線性動(dòng)力分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬或設(shè)計(jì)驗(yàn)算。但因此時(shí)地震輸入過(guò)大，結(jié)構(gòu)往往進(jìn)入了強(qiáng)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(kāi)發(fā)較為成熟的分析設(shè)計(jì)用的計(jì)算模犁與程序?！　”疚脑诖吮尘跋?，進(jìn)而針對(duì)墩柱的抗震在整個(gè)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(shí)意義，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(duì)墩柱抗震中兩個(gè)最為重要的部分，即抗震分析和抗震試驗(yàn)都進(jìn)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(jì)算模型。該模與其他的二維平面計(jì)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(yàn)和研究分析方面成果的基礎(chǔ)上，選用并改進(jìn)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(yàn)結(jié)果，分為開(kāi)裂前與開(kāi)裂后兩個(gè)部分，開(kāi)裂前采用等效應(yīng)力應(yīng)變的彈塑性本構(gòu)模型，開(kāi)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(gè)方面。正應(yīng)力關(guān)系在分別考慮壓應(yīng)力加卸載過(guò)程與拉應(yīng)力加卸載過(guò)程的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮裂面效應(yīng)的再接觸模型將二者聯(lián)接起來(lái)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(kāi)張閉合，壓區(qū)硬化軟化、平等與開(kāi)裂方向材料強(qiáng)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(jiǎn)化模型，計(jì)算中忽略了鋼筋銷(xiāo)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(duì)非線性有限元方法進(jìn)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(jìn)行加卸載的計(jì)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(dá)式復(fù)雜，無(wú)法得到顯式的本構(gòu)矩陣，剛度矩陣相應(yīng)地也就無(wú)法得到，所以無(wú)法使用增量法中常用的始點(diǎn)剛度法、中點(diǎn)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(diǎn)的特點(diǎn)。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(duì)剛度矩陣的重新計(jì)算，達(dá)到同等精度時(shí)一般還快于其它迭代法。計(jì)算表明即使使用PC機(jī)，總的非線性迭代計(jì)算時(shí)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(diǎn)高斯積分來(lái)保證單元的精度和適應(yīng)性，在每個(gè)高斯點(diǎn)運(yùn)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(jì)算時(shí)可以對(duì)收斂條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證了某些情況下計(jì)算的連續(xù)性和穩(wěn)定性，最后進(jìn)一步探討了弧長(zhǎng)法在有限元方程組計(jì)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(diǎn)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(guó)際上才發(fā)展起來(lái)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(jì)算程序。　　 (4)給出了在墩柱抗震試驗(yàn)分析中需要考慮的從材料到延性計(jì)算方法的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)墩柱抗震試驗(yàn)中需要進(jìn)行的各項(xiàng)計(jì)算的計(jì)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(yàn)?zāi)康牡闹笇?dǎo)下，根據(jù)這些計(jì)算對(duì)本文試驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并提出了以往計(jì)算中一些應(yīng)該改進(jìn)的方面。　　 (5)在總結(jié)已有國(guó)內(nèi)外單柱式墩柱的擬靜力試驗(yàn)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(gè)1：4的大比例尺小剪跨比墩柱模型，分為兩組分別進(jìn)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(yàn)?zāi)Ｐ投紝儆谛〖艨绫?，試?yàn)最后橋墩都發(fā)生了與橋墩模型設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算結(jié)果較為一致的剪切破壞。得到了眾多測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)變和轉(zhuǎn)角值等試驗(yàn)數(shù)據(jù)?！　?(6)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)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(qiáng)度，并對(duì)延性性能進(jìn)行了評(píng)估。之后對(duì)試驗(yàn)原型、理想模型與實(shí)測(cè)模型的參數(shù)差異進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)試驗(yàn)原型、理想模型、實(shí)測(cè)模型的抗彎和抗剪能力和延性等計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，借以說(shuō)明理性模型的可行性、計(jì)算方法的正確性和參數(shù)的變異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的巨大影響，并由此尋找出預(yù)期中結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果不符的原因，為以后的試驗(yàn)設(shè)計(jì)給出本文的經(jīng)驗(yàn)。并論述了以往試驗(yàn)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?yàn)墩柱進(jìn)行了單向和循環(huán)荷載下的非線性分析，計(jì)算結(jié)果與所作的試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比表明計(jì)算能較好地模擬墩柱的承載能力和變形性能，并且具有計(jì)算量相對(duì)較小(相對(duì)三維，相對(duì)所得到的豐富的結(jié)果信息)、計(jì)算過(guò)程穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(guò)程，表明了該計(jì)算模型的準(zhǔn)確有效，說(shuō)明該計(jì)算方法乃至程序的可行性以及良好的繼續(xù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景。　　

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