【博士】鋼筋混凝土雙軸本構建模及在橋墩地震分析中的應用【2005】

內容簡介

　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：同濟大學　　學位年度： 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計規(guī)范與城市橋梁抗震設計規(guī)范以及其它正在修訂的相應規(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構進行數(shù)值模擬或設計驗算。但因此時地震輸入過大，結構往往進入了強塑性領域。以前的許多非線性分析方法和彈塑性本構模型都已不再適用。需要開發(fā)較為成熟的分析設計用的計算模犁與程序?！　”疚脑诖吮尘跋拢M而針對墩柱的抗震在整個土木結構抗震領域，特別是在公路與城市橋梁中所具有的重要現(xiàn)實意義，結合國家自然科學基金項目《鋼筋混凝土雙軸滯回本構建模及在結構抗震分析中的應用》(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的研究?！　?(1)在總結已有分析手段的基礎上，給出了一種現(xiàn)今一般分析中應用較少的二維平面非線性精細有限元計算模型。該模與其他的二維平面計算模型最大的不同在于，在總結混凝土本構關系試驗和研究分析方面成果的基礎上，選用并改進了能較好考慮反復荷載下混凝土材料的Maekawa本構模型。該本構模型基于大量的試驗結果，分為開裂前與開裂后兩個部分，開裂前采用等效應力應變的彈塑性本構模型，開裂后在二維彌散正交裂縫的假設下，本構關系包括正應力與剪應力兩個方面。正應力關系在分別考慮壓應力加卸載過程與拉應力加卸載過程的基礎上，通過考慮裂面效應的再接觸模型將二者聯(lián)接起來得到拉壓循環(huán)下的混凝土的應力-應變性能，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。剪應力關系方面，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，本構采用了雙線性模型，考慮了鋼筋屈服、應變硬化、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。由于本文的本構關系與加卸載路徑有關，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模型表達式復雜，無法得到顯式的本構矩陣，剛度矩陣相應地也就無法得到，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性，在每個高斯點運用本文的非線性本構模型，可得出等效的裂縫信息。制定了合適的收斂準則。且在計算時可以對收斂條件進行調節(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用?！　?3)在混凝土與鋼筋模型的基礎上，結合以上的非線性有限元方法，采用八結點平面應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)展起來的目前應用還很少的可視化面向對象有限元技術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容、方法和相應的程序給予了較完善的介紹。并在試驗目的的指導下，根據(jù)這些計算對本文試驗進行了設計，并提出了以往計算中一些應該改進的方面?！　?(5)在總結已有國內外單柱式墩柱的擬靜力試驗的基礎上，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的擬靜力加載，每組又根據(jù)配箍率的不同分為三組。試驗模型都屬于小剪跨比，試驗最后橋墩都發(fā)生了與橋墩模型設計時計算結果較為一致的剪切破壞。得到了眾多測點的位移、應變和轉角值等試驗數(shù)據(jù)。　　 (6)對試驗結果進行了分析，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果和模型試驗結果進行了對比，借以說明理性模型的可行性、計算方法的正確性和參數(shù)的變異性對試驗結果的巨大影響，并由此尋找出預期中結果與實際試驗結果不符的原因，為以后的試驗設計給出本文的經(jīng)驗。并論述了以往試驗中考慮不當?shù)囊恍┑胤健５玫叫〖艨绫鹊亩罩玫阶銐虻难有员仨毿枰喈敻叩呐涔柯??！　?(7)最后，本文使用所編制的程序對試驗墩柱進行了單向和循環(huán)荷載下的非線性分析，計算結果與所作的試驗的結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果信息)、計算過程穩(wěn)定的優(yōu)點。計算結果與試驗結果吻合良好一致，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)與應用前景。　　

專題推薦