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《天津大学》 2011年 博士论文
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复杂受力条件下混凝土损伤本构模型及钢筋混凝土桥梁地震损伤分析

李正  
【摘要】:桥梁作为重要的交通基础设施之一,其抗震性能得到了国内外学术界和工程界的高度重视。桥梁结构的非线性地震响应分析是评估桥梁结构抗震性能的最有效的手段。随着连续损伤力学(CDM)的发展与成熟,此理论已经作为一个新的工具被引入混凝土结构非线性地震响应分析领域中,以准确模拟混凝土材料在循环荷载作用下的刚度退化、强度下降等损伤效应。本文提出了适用于大型混凝土结构的修正混凝土多轴损伤本构模型及混凝土单轴损伤本构模型并分别采用于实体模型及杆系模型的建模方法,以大型通用有限元软件ABAQUS作为研究平台,对钢筋混凝土桥梁结构的地震性能和损伤过程进行了数值模拟及讨论分析。主要创新工作与研究成果有: (1)鉴于混凝土Faria-Oliver弹性和弹塑性损伤本构模型是一个参数标定简单、计算效率很高的损伤本构模型,非常适用于大型钢筋混凝土结构的地震性能分析,本文对原Faria-Oliver损伤本构模型进行了修正,使修正后的损伤本构模型能更加合理的描述混凝土材料在循环荷载作用下的单边效应。并且在弹塑性损伤本构模型的基础上,调整了损伤阈值演化规律,引入率相关效应,以考虑地震作用下混凝土材料的应变率效应。进而基于大型通用有限元软件ABAQUS编制了相应的用户材料子程序UMAT以及VUMAT,为大型钢筋混凝土桥梁结构的抗震性能分析提供了有效的地震响应与损伤分析工具。 (2)鉴于纤维梁柱单元是一种计算效率高、计算精度好的梁柱单元模型,为了采用纤维梁柱单元模型对钢筋混凝土桥墩、全桥进行地震损伤分析,本文基于混凝土多轴修正Faria-Oliver损伤本构模型,提出了混凝土单轴修正Faria-Oliver损伤本构模型。Menegotto-Pinto模型是一种应用非常广泛的钢筋本构模型,但模型的滞回行为存在一些缺陷,本文将Filippou等人和Sakai、Kawashima分别对Menegotto-Pinto模型引入的修正进行了融合,从而使得Menegotto-Pinto模型更加完善。在此基础上采用纤维梁柱单元模型对钢筋混凝土桥墩进行了地震响应及损伤分析,模拟效果良好。 (3)分别应用实体模型与混凝土多轴弹塑性损伤模型以及纤维梁柱单元模型与混凝土单轴损伤模型对钢筋混凝土高桥墩、低桥墩以及高墩桥梁全桥进行了地震损伤分析。模拟结果发现:地震作用下,低桥墩地震损伤易于集中于墩身底部,而高桥墩易于发生多处损伤,并且高墩越细长,这种趋势越明显。 (4)长大的高墩连续刚构桥在我国西部强震区广泛采用,其地震行为非常复杂,因此非常有必要对其进行精细的建模与分析。本文采用混凝土率相关弹塑性损伤模型,对一钢筋混凝土高墩连续刚构桥进行了行波激励与一致激励下全桥地震响应及损伤分析。模拟结果发现:地震位移时程响应对应变率效应不敏感而拉、压损伤分布及演化则对应变率效应比较敏感;行波效应对长大的高墩连续刚构桥的地震位移时程响应以及损伤分布影响明显,影响规律复杂。


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