基于RSAPS平台的钢筋混凝土桥梁构件地震损伤分析精细化模拟模型研究

摘要

随着我国交通建设事业的迅速发展，我国公路与铁路桥梁的建设取得了举世瞩目的成就；另一方面，我国位于世界两大地震带的交界处，地震灾害非常严重。桥梁结构的抗震减灾问题，始终受到工程界的高度关注。建立桥梁各个重要构件的精细化数值模型，高效、准确地模拟桥梁结构的非线性特性，可为桥梁结构抗震设计及性能评估提供重要依据。因此，进行钢筋混凝土桥梁结构精细化建模理论与方法的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文主要针对钢筋混凝土桥梁结构，深入研究其重要构件、隔震支座以及全桥结构的精细化建模理论与模拟方法。主要创新工作和研究成果如下：
　　（1）基于Timoshenko梁理论，将基于修正斜压场理论（MCFT）的钢筋混凝土二维本构模型与纤维单元基本理论相结合，提出了一种基于显式算法的弯剪纤维单元模型，并将该单元模型引入到结构精细化模拟分析平台RSAPS中。应用RSAPS平台分别模拟了发生弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏的矩形和圆形截面钢筋混凝土墩柱构件在往复作用下的滞回性能，并将结果与试验和未考虑剪切变形影响的纤维单元模型模拟结果进行对比，结果表明，对于发生弯曲破坏的试件，由于剪切变形较小，未考虑剪切变形的纤维单元和弯剪纤维单元均可以较好地模拟试件的滞回性能；而对于发生弯剪破坏和剪切破坏的试件，剪切变形较为显著，如仍采用未考虑剪切变形影响的纤维单元模拟，会大大高估构件的初始刚度和耗能能力，对构件的抗剪强度也会有所高估；而所提出的弯剪纤维单元能够较好地考虑构件的刚度和强度退化等损伤效应，以及箍筋对混凝土的约束效应等强非线性行为，模拟结果与试验结果吻合较好，且具有较高的计算效率。
　　（2）对8个钢筋混凝土短柱在常轴力和水平单向和双向荷载作用下的抗震性能进行试验研究。主要研究加载路径、纵筋配筋率、箍筋配筋率以及轴压比对钢筋混凝土短柱双向受剪性能的影响。试验结果表明，双向加载时试件表现出较强的双向耦合作用，这种耦合作用使得双向荷载作用下试件在两个方向上的强度均小于单向荷载作用下的试件，但也使得试件的累积滞回耗能能力有所增加；加载路径、轴压比、纵筋配筋率和箍筋配筋率对刚度退化影响较小，但对强度退化和耗能能力影响较大，尤其是试件破坏时的总耗能。
　　（3）对三维修正斜压场理论进行修正，使其适用于考虑往复荷载作用的情况。将修正的三维MCFT与纤维单元基本理论相结合，并结合显式中心差分法，提出一种可以考虑轴向、双轴剪切和双轴弯曲相互作用效应的三维弯剪纤维单元模型，进而建立RSAPS平台的多维非线性分析模块。应用RSAPS平台分别对钢筋混凝土墩柱构件单、双向往复加载试验进行模拟分析，结果表明，所建立RSAPS平台的多维非线性分析模块，可有效地模拟二维试件和三维试件在往复荷载作用下的非线性滞回性能，模拟结果与试验结果吻合较好。应用RSAPS平台对一钢筋混凝土桥梁结构进行地震响应分析，发现对于受剪作用显著桥墩构件，未考虑剪切变形的纤维单元会低估位移响应，高估底部剪力和耗能能力。对这种构件应采用所提出的3D弯剪纤维单元进行模拟。
　　（4）基于结构精细化模拟分析平台RSAPS，将混凝土单轴损伤本构模型引入到RSAPS平台材料库中，建立了钢筋混凝土墩柱构件的损伤分析方法，开发了纤维单元损伤分析模块。为考虑粘结滑移效应，进一步在RSAPS平台中引入截面单元模型以及钢筋应力—滑移关系模型。应用RSAPS平台分别对钢筋混凝土柱的拟静力试验和桥墩的振动台试验进行模拟分析，结果表明，考虑粘结滑移效应时的模拟结果与试验结果更为吻合；RSAPS平台可以较为高效地实现对钢筋混凝土构件的损伤分析，可以直观的反映钢筋混凝土构件的损伤分布情况和损伤发展过程，清楚的反映构件的薄弱部位，具有较强的工程实用性。
　　（5）基于结构精细化模拟分析平台RSAPS，结合可以考虑水平双向耦合作用的Bocu-Wen模型和考虑竖向刚度变化的双弹簧模型，建立了隔震单元模型静、动力分析模块。该模块采用重叠面积法确定给定侧向位移下的临界荷载；根据支座是否具有各项同性特性，选取相应的加卸载判断条件。应用该模块分别对铅芯橡胶支座双向位移控制试验、双向激励振动台试验和缩尺隔震桥梁振动台试验进行模拟分析，结果表明，所开发的隔震单元模型可以考虑铅芯橡胶支座的水平双向耦合作用；可以较好地模拟铅芯橡胶支座静、动力作用下的力学性能；可以考虑隔震支座临界荷载随侧向位移的增大而减小的特征。进一步应用RSAPS平台对一桥梁结构在隔震与非隔震情况下的地震响应进行模拟分析，发现LRB隔震支座可以在一定程度上减小桥墩的底部剪力和桥墩损伤，减小桥面板的加速度响应，具有较好的隔震效果。

目录

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状与发展动态

1.3本文主要研究工作与思路

第二章 考虑剪切变形的钢筋混凝土纤维梁柱单元模型

2.1引言

2.2往复荷载作用下的修正斜压场理论（MCFT）

2.3弯剪纤维单元模型基本原理

2.4 RSAPS平台基于显式算法的弯剪纤维模型通用分析模块开发

2.5弯剪纤维单元网格划分原则

2.6往复荷载作用下钢筋混凝土构件响应分析

2.7小结

第三章 双向往复荷载作用下RC短柱的抗震性能研究

3.1引言

3.2试件设计及制作

3.3加载装置与测量内容

3.4加载方案

3.5试验结果及分析

3.6小结

第四章 混凝土3D本构模型及3D弯剪纤维单元模型研究

4.1引言

4.2往复荷载作用下的3D修正斜压场理论（MCFT）

4.3 3D弯剪纤维单元模型基本原理

4.4 RSAPS平台基于显式算法的弯剪纤维模型通用分析模块开发

4.5往复荷载作用下钢筋混凝土构件响应分析

4.6钢筋混凝土桥梁结构地震响应分析

4.7小结

第五章 基于RSAPS平台的钢筋混凝土墩柱构件损伤分析

5.1引言

5.2截面单元基本原理

5.3纤维材料本构模型

5.4 RSAPS平台纤维模型通用分析模块及截面模型模块开发

5.5钢筋混凝土墩柱构件损伤分析

5.6小结

第六章 基于RSAPS平台的隔震单元模型研究

6.1引言

6.2铅芯橡胶支座(LRB)隔震单元模型

6.3 RSAPS平台隔震单元模型静、动力分析模块开发

6.4应用RSAPS平台隔震单元模型进行静、动力响应分析

6.5隔震效果分析

6.6小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢