基于RSAPS平臺的鋼筋混凝土橋梁構件地震損傷分析精細化模擬模型研究.pdf

1、隨著我國交通建設事業(yè)的迅速發(fā)展，我國公路與鐵路橋梁的建設取得了舉世矚目的成就；另一方面，我國位于世界兩大地震帶的交界處，地震災害非常嚴重。橋梁結構的抗震減災問題，始終受到工程界的高度關注。建立橋梁各個重要構件的精細化數(shù)值模型，高效、準確地模擬橋梁結構的非線性特性，可為橋梁結構抗震設計及性能評估提供重要依據(jù)。因此，進行鋼筋混凝土橋梁結構精細化建模理論與方法的研究具有重要的理論意義和工程價值。本文主要針對鋼筋混凝土橋梁結構，深入研究其重要構

2、件、隔震支座以及全橋結構的精細化建模理論與模擬方法。主要創(chuàng)新工作和研究成果如下：
　　（1）基于Timoshenko梁理論，將基于修正斜壓場理論（MCFT）的鋼筋混凝土二維本構模型與纖維單元基本理論相結合，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構精細化模擬分析平臺RSAPS中。應用RSAPS平臺分別模擬了發(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件在往復作用下的滯回性能，并將結果與試

3、驗和未考慮剪切變形影響的纖維單元模型模擬結果進行對比，結果表明，對于發(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，會大大高估構件的初始剛度和耗能能力，對構件的抗剪強度也會有所高估；而所提出的彎剪纖維單元能夠較好地考慮構件的剛度和強度退化等損傷效應，以及箍筋對混凝土的約束效應等強非線

4、性行為，模擬結果與試驗結果吻合較好，且具有較高的計算效率。
　?。?）對8個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行試驗研究。主要研究加載路徑、縱筋配筋率、箍筋配筋率以及軸壓比對鋼筋混凝土短柱雙向受剪性能的影響。試驗結果表明，雙向加載時試件表現(xiàn)出較強的雙向耦合作用，這種耦合作用使得雙向荷載作用下試件在兩個方向上的強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、率和箍筋配筋率對剛度退化影響較小，但對強度退化和耗能能力影響較大，尤其是試件破壞時的總耗能。
　?。?）對三維修正斜壓場理論進行修正，使其適用于考慮往復荷載作用的情況。將修正的三維MCFT與纖維單元基本理論相結合，并結合顯式中心差分法，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的三維彎剪纖維單元模型，進而建立RSAPS平臺的多維非線性分析模塊。應用RSAPS平臺分別對鋼筋混凝土墩柱構件單、雙向往復加載試驗進行模擬分析，結

6、果表明，所建立RSAPS平臺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荷載作用下的非線性滯回性能，模擬結果與試驗結果吻合較好。應用RSAPS平臺對一鋼筋混凝土橋梁結構進行地震響應分析，發(fā)現(xiàn)對于受剪作用顯著橋墩構件，未考慮剪切變形的纖維單元會低估位移響應，高估底部剪力和耗能能力。對這種構件應采用所提出的3D彎剪纖維單元進行模擬。
　?。?）基于結構精細化模擬分析平臺RSAPS，將混凝土單軸損傷本構模型引入到RSAPS

7、平臺材料庫中，建立了鋼筋混凝土墩柱構件的損傷分析方法，開發(fā)了纖維單元損傷分析模塊。為考慮粘結滑移效應，進一步在RSAPS平臺中引入截面單元模型以及鋼筋應力—滑移關系模型。應用RSAPS平臺分別對鋼筋混凝土柱的擬靜力試驗和橋墩的振動臺試驗進行模擬分析，結果表明，考慮粘結滑移效應時的模擬結果與試驗結果更為吻合；RSAPS平臺可以較為高效地實現(xiàn)對鋼筋混凝土構件的損傷分析，可以直觀的反映鋼筋混凝土構件的損傷分布情況和損傷發(fā)展過程，清楚的反映構件

8、的薄弱部位，具有較強的工程實用性。
　?。?）基于結構精細化模擬分析平臺RSAPS，結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)支座是否具有各項同性特性，選取相應的加卸載判斷條件。應用該模塊分別對鉛芯橡膠支座雙向位移控制試驗、雙向激勵振動臺試驗和縮尺隔震橋梁振動臺試驗進行模擬分析，結果表明，所開發(fā)的隔震單