【博士】钢筋混凝土双轴本构建模及在桥墩地震分析中的应用【2005】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：同济大学　　学位年度： 2005年　　美国加州Northridge地震和日本神户地震后，对各自的抗震设计规范都做了大幅度的修订。这些规范与我国新修订的建筑抗震设计规范与城市桥梁抗震设计规范以及其它正在修订的相应规范中都包含有一个相似的规定，即在一定的地震水甲下要求用非线性动力分析的方法对结构进行数值模拟或设计验算。但因此时地震输入过大，结构往往进入了强塑性领域。以前的许多非线性分析方法和弹塑性本构模型都已不再适用。需要开发较为成熟的分析设计用的计算模犁与程序。　　本文在此背景下，进而针对墩柱的抗震在整个土木结构抗震领域，特别是在公路与城市桥梁中所具有的重要现实意义，结合国家自然科学基金项目《钢筋混凝土双轴滞回本构建模及在结构抗震分析中的应用》(50178053)，对墩柱抗震中两个最为重要的部分，即抗震分析和抗震试验都进行了相应的研究。　　 (1)在总结已有分析手段的基础上，给出了一种现今一般分析中应用较少的二维平面非线性精细有限元计算模型。该模与其他的二维平面计算模型最大的不同在于，在总结混凝土本构关系试验和研究分析方面成果的基础上，选用并改进了能较好考虑反复荷载下混凝土材料的Maekawa本构模型。该本构模型基于大量的试验结果，分为开裂前与开裂后两个部分，开裂前采用等效应力应变的弹塑性本构模型，开裂后在二维弥散正交裂缝的假设下，本构关系包括正应力与剪应力两个方面。正应力关系在分别考虑压应力加卸载过程与拉应力加卸载过程的基础上，通过考虑裂面效应的再接触模型将二者联接起来得到拉压循环下的混凝土的应力-应变性能，考虑了材料的拉伸硬化、裂缝开张闭合，压区硬化软化、平等与开裂方向材料强度和刚度的退化、受压卸载再加载等因素。剪应力关系方面，采用了包括加载段、卸载段和滑移段的简化模型，计算中忽略了钢筋销栓作用。由于墩柱中配筋规律，故采用了钢筋弥散假设，本构采用了双线性模型，考虑了钢筋屈服、应变硬化、循环卸载与再加载规则等因素。　　 (2)对非线性有限元方法进行了研究。非线性有限元的求解方法一般有增量法、迭代法和混合法三种。由于本文的本构关系与加卸载路径有关，并且本文要进行加卸载的计算，所以本文中一定要用到增量法。但所以由于本文采用的本构模型表达式复杂，无法得到显式的本构矩阵，刚度矩阵相应地也就无法得到，所以无法使用增量法中常用的始点刚度法、中点刚度法或平均刚度法。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刚度方法。但混合法本身便具有结合增量法和迭代法优点的特点。常刚度迭代法虽然增加了迭代次数，但避免了每次迭代后对刚度矩阵的重新计算，达到同等精度时一般还快于其它迭代法。计算表明即使使用PC机，总的非线性迭代计算时间还是可以接受的。因此选用常刚度的混合法即是被迫的、也是很好的选择。本文采用四边形等参单元和9点高斯积分来保证单元的精度和适应性，在每个高斯点运用本文的非线性本构模型，可得出等效的裂缝信息。制定了合适的收敛准则。且在计算时可以对收敛条件进行调节，从而保证了某些情况下计算的连续性和稳定性，最后进一步探讨了弧长法在有限元方程组计算中的应用。　　(3)在混凝土与钢筋模型的基础上，结合以上的非线性有限元方法，采用八结点平面应力单元建立了钢筋混凝土二维平面非线性有限元分析模型，使用最近十几年国际上才发展起来的目前应用还很少的可视化面向对象有限元技术编制了二维非线性有限元计算程序。　　 (4)给出了在墩柱抗震试验分析中需要考虑的从材料到延性计算方法的各个环节对墩柱抗震试验中需要进行的各项计算的计算内容、方法和相应的程序给予了较完善的介绍。并在试验目的的指导下，根据这些计算对本文试验进行了设计，并提出了以往计算中一些应该改进的方面。　　 (5)在总结已有国内外单柱式墩柱的拟静力试验的基础上，考虑到在城市高架和立交等生命线工程中广泛的使用性，制作了12个1：4的大比例尺小剪跨比墩柱模型，分为两组分别进行了单向与往复的拟静力加载，每组又根据配箍率的不同分为三组。试验模型都属于小剪跨比，试验最后桥墩都发生了与桥墩模型设计时计算结果较为一致的剪切破坏。得到了众多测点的位移、应变和转角值等试验数据。　　 (6)对试验结果进行了分析，对比和分析了小剪跨比墩柱在不同配箍率和工况下的恢复力曲线、破坏模式、骨架曲线、延性和强度，并对延性性能进行了评估。之后对试验原型、理想模型与实测模型的参数差异进行了统计分析，并对试验原型、理想模型、实测模型的抗弯和抗剪能力和延性等计算结果和模型试验结果进行了对比，借以说明理性模型的可行性、计算方法的正确性和参数的变异性对试验结果的巨大影响，并由此寻找出预期中结果与实际试验结果不符的原因，为以后的试验设计给出本文的经验。并论述了以往试验中考虑不当的一些地方。得到小剪跨比的墩柱要得到足够的延性必须需要相当高的配箍率。　　 (7)最后，本文使用所编制的程序对试验墩柱进行了单向和循环荷载下的非线性分析，计算结果与所作的试验的结果对比表明计算能较好地模拟墩柱的承载能力和变形性能，并且具有计算量相对较小(相对三维，相对所得到的丰富的结果信息)、计算过程稳定的优点。计算结果与试验结果吻合良好一致，能够模拟钢筋混凝土墩柱破坏的全过程，表明了该计算模型的准确有效，说明该计算方法乃至程序的可行性以及良好的继续开发与应用前景。　　

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