基于RSAPS平臺(tái)的鋼筋混凝土橋梁構(gòu)件地震損傷分析精細(xì)化模擬模型研究.pdf

1、隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)公路與鐵路橋梁的建設(shè)取得了舉世矚目的成就；另一方面，我國(guó)位于世界兩大地震帶的交界處，地震災(zāi)害非常嚴(yán)重。橋梁結(jié)構(gòu)的抗震減災(zāi)問(wèn)題，始終受到工程界的高度關(guān)注。建立橋梁各個(gè)重要構(gòu)件的精細(xì)化數(shù)值模型，高效、準(zhǔn)確地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的非線性特性，可為橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及性能評(píng)估提供重要依據(jù)。因此，進(jìn)行鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模理論與方法的研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。本文主要針對(duì)鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，深入研究其重要構(gòu)

2、件、隔震支座以及全橋結(jié)構(gòu)的精細(xì)化建模理論與模擬方法。主要?jiǎng)?chuàng)新工作和研究成果如下：
　?。?）基于Timoshenko梁理論，將基于修正斜壓場(chǎng)理論（MCFT）的鋼筋混凝土二維本構(gòu)模型與纖維單元基本理論相結(jié)合，提出了一種基于顯式算法的彎剪纖維單元模型，并將該單元模型引入到結(jié)構(gòu)精細(xì)化模擬分析平臺(tái)RSAPS中。應(yīng)用RSAPS平臺(tái)分別模擬了發(fā)生彎曲破壞、彎剪破壞和剪切破壞的矩形和圓形截面鋼筋混凝土墩柱構(gòu)件在往復(fù)作用下的滯回性能，并將結(jié)果與試

3、驗(yàn)和未考慮剪切變形影響的纖維單元模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，對(duì)于發(fā)生彎曲破壞的試件，由于剪切變形較小，未考慮剪切變形的纖維單元和彎剪纖維單元均可以較好地模擬試件的滯回性能；而對(duì)于發(fā)生彎剪破壞和剪切破壞的試件，剪切變形較為顯著，如仍采用未考慮剪切變形影響的纖維單元模擬，會(huì)大大高估構(gòu)件的初始剛度和耗能能力，對(duì)構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度也會(huì)有所高估；而所提出的彎剪纖維單元能夠較好地考慮構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度退化等損傷效應(yīng)，以及箍筋對(duì)混凝土的約束效應(yīng)等強(qiáng)非線

4、性行為，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且具有較高的計(jì)算效率。
　　（2）對(duì)8個(gè)鋼筋混凝土短柱在常軸力和水平單向和雙向荷載作用下的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。主要研究加載路徑、縱筋配筋率、箍筋配筋率以及軸壓比對(duì)鋼筋混凝土短柱雙向受剪性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙向加載時(shí)試件表現(xiàn)出較強(qiáng)的雙向耦合作用，這種耦合作用使得雙向荷載作用下試件在兩個(gè)方向上的強(qiáng)度均小于單向荷載作用下的試件，但也使得試件的累積滯回耗能能力有所增加；加載路徑、軸壓比、縱筋配筋

5、率和箍筋配筋率對(duì)剛度退化影響較小，但對(duì)強(qiáng)度退化和耗能能力影響較大，尤其是試件破壞時(shí)的總耗能。
　?。?）對(duì)三維修正斜壓場(chǎng)理論進(jìn)行修正，使其適用于考慮往復(fù)荷載作用的情況。將修正的三維MCFT與纖維單元基本理論相結(jié)合，并結(jié)合顯式中心差分法，提出一種可以考慮軸向、雙軸剪切和雙軸彎曲相互作用效應(yīng)的三維彎剪纖維單元模型，進(jìn)而建立RSAPS平臺(tái)的多維非線性分析模塊。應(yīng)用RSAPS平臺(tái)分別對(duì)鋼筋混凝土墩柱構(gòu)件單、雙向往復(fù)加載試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，結(jié)

6、果表明，所建立RSAPS平臺(tái)的多維非線性分析模塊，可有效地模擬二維試件和三維試件在往復(fù)荷載作用下的非線性滯回性能，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。應(yīng)用RSAPS平臺(tái)對(duì)一鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于受剪作用顯著橋墩構(gòu)件，未考慮剪切變形的纖維單元會(huì)低估位移響應(yīng)，高估底部剪力和耗能能力。對(duì)這種構(gòu)件應(yīng)采用所提出的3D彎剪纖維單元進(jìn)行模擬。
　?。?）基于結(jié)構(gòu)精細(xì)化模擬分析平臺(tái)RSAPS，將混凝土單軸損傷本構(gòu)模型引入到RSAPS

7、平臺(tái)材料庫(kù)中，建立了鋼筋混凝土墩柱構(gòu)件的損傷分析方法，開(kāi)發(fā)了纖維單元損傷分析模塊。為考慮粘結(jié)滑移效應(yīng)，進(jìn)一步在RSAPS平臺(tái)中引入截面單元模型以及鋼筋應(yīng)力—滑移關(guān)系模型。應(yīng)用RSAPS平臺(tái)分別對(duì)鋼筋混凝土柱的擬靜力試驗(yàn)和橋墩的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，考慮粘結(jié)滑移效應(yīng)時(shí)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為吻合；RSAPS平臺(tái)可以較為高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的損傷分析，可以直觀的反映鋼筋混凝土構(gòu)件的損傷分布情況和損傷發(fā)展過(guò)程，清楚的反映構(gòu)件

8、的薄弱部位，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。
　?。?）基于結(jié)構(gòu)精細(xì)化模擬分析平臺(tái)RSAPS，結(jié)合可以考慮水平雙向耦合作用的Bocu-Wen模型和考慮豎向剛度變化的雙彈簧模型，建立了隔震單元模型靜、動(dòng)力分析模塊。該模塊采用重疊面積法確定給定側(cè)向位移下的臨界荷載；根據(jù)支座是否具有各項(xiàng)同性特性，選取相應(yīng)的加卸載判斷條件。應(yīng)用該模塊分別對(duì)鉛芯橡膠支座雙向位移控制試驗(yàn)、雙向激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和縮尺隔震橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的隔震單