【博士】混凝土损伤本构理论及其在大跨桥梁地震响应分析中的应用研究【2007】

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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：西南交通大学　　学位年度： 2007年　　大跨度混凝土桥梁是生命线工程，这些工程在和平时期是经济动脉的咽喉，灾难时期则是救灾物资调运、受灾群众转移的必经之路。因此大跨桥梁在强烈地震作用后的损伤状态，在很大程度上影响到灾后救援的及时性和有效性。在激励于边界条件、结构类型已知的情况下，材料的本构行为是影响结构响应的根本原因。混凝土材料先天性的缺陷和后天特有的力学行为，决定了采用损伤理论分析混凝土材料、构件及结构受力的合理性和适用性。　　本文的研究目的就是，考察混凝土的损伤机理和损伤本构的理论基础，推导损伤过程的不可逆热力学方程，建立普适的混凝土动力损伤本构模型，并根据自由能等效原理给出结构总体的损伤指标，进而采用上述理论分析大跨桥梁结构的地震损伤行为和损伤状态，从而实现材料、构件及结构三个层次的损伤评估。这种基于损伤理论的地震损伤评估方法，对拟建桥梁设计方案的合理性、既有桥梁的加固维修方案和震后桥梁抢修加固策略的实施均可提供量化指标，是确保大型桥梁结构在地震荷载条件下，安全可靠运营的科学手段，因而具有现实而长远的战略意义。　　根据结构地震损伤行为分析的需要，文章开展了以下几个方面的工作：　　1．阐述了混凝土的损伤本构关系及桥梁结构地震损伤行为和损伤评估的研究现状，在总结前人研究成果的基础上，根据现有问题的特点，制定了相应的研究方法和技术路线(第一章)；　　2．阐明了混凝土材料的损伤机理和损伤力学研究方法，探讨了建立损伤力学问题的基本过程，指出损伤力学公理化的理论基础，推导了不可逆热力学的第一第二定律的表达式，进而提出了损伤本构的关键和难点问题(第二章)；　　3．鉴于混凝土材料的拉压异性、静水压力敏感性效应明显以及非相关流动等特性，采用改进的Drucker-Prager强度理论作为初始屈服面和塑性势函数，选择基于弹性应变能和塑性势的Helmholtz自由能表达式，并根据材料断裂能定义损伤变量，同时用弹性应变能定义损伤准则及损伤的演化方程，在此基础上推导了基于热动力学理论的标量损伤弹塑性统一本构方程(第三章第二及第三节)；　　4．研究了混凝土的率型动力损伤本构，以线粘弹性考虑阻尼应力的影响，并将阻尼影响耦合到连续切线刚度矩阵中，同时考虑了混凝土的随动强化效应(第三章第四及第五节)；　　5．给出了基于时间离散的应力、应变及损伤变量等非线性方程的数值表达式，采用适于塑性损伤理论的基于向后Euler法的应力更新算法一一两步图形返回的最近投影点法，推导了满足迭代结果收敛假设的塑性参数及算法刚度张量，给出了平面应力和空间梁单元的本构积分算法的Jacobi矩阵。(第四章第二节)；　　6．开发了基于大型商业软件的平面应力以及三维梁单元的用户材料子程序，编写了基于计算过程和后处理的数据访问接口Fortran程序，并结合已有试验对本文模型进行了验证(第四章第三节)：　　7．阐述了结构动力损伤有限元分析的基本框架，给出常用单元的Jacobi矩阵，列出弹塑性损伤空间梁单元截面内力的积分形式，进而得到动力学方程，在此基础上对一座大跨混凝土桥梁结构进行地震非线性损伤分析，得到了结构体系在地震作用下的损伤变量演化曲线(第五章)；　　8．由Gauss积分点损伤变量及应力应变，给出关于单元体积加权的损，伤指标，提出了基于自由能等效原理的损伤指标表达式，提供了相应的有限元算法用来确定结构或构件的损伤状态，依据现有损伤评估标准，对结构震后的损伤状况进行评估，研究了设计方案的合理性(第六章)；　　9．根据本文的理论和试验分析．得出一些建设性的结论．探讨了需要解决的问题和可能的研究方向(第七章)。并通过实际结构进行地震损伤分析。　　

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