混凝土損傷本構(gòu)理論及其在大跨橋梁地震響應(yīng)分析中的應(yīng)用研究.pdf

1、大跨度混凝土橋梁是生命線工程，這些工程在和平時期是經(jīng)濟動脈的咽喉，災(zāi)難時期則是救災(zāi)物資調(diào)運、受災(zāi)群眾轉(zhuǎn)移的必經(jīng)之路。因此大跨橋梁在強烈地震作用后的損傷狀態(tài)，在很大程度上影響到災(zāi)后救援的及時性和有效性。在激勵于邊界條件、結(jié)構(gòu)類型己知的情況下，材料的本構(gòu)行為是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的根本原因?；炷敛牧舷忍煨缘娜毕莺秃筇焯赜械牧W行為，決定了采用損傷理論分析混凝土材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)受力的合理性和適用性。 本文的研究目的就是，考察混凝土的損傷機理

2、和損傷本構(gòu)的理論基礎(chǔ)，推導損傷過程的不可逆熱力學方程，建立普適的混凝土動力損傷本構(gòu)模型，并根據(jù)自由能等效原理給出結(jié)構(gòu)總體的損傷指標，進而采用上述理論分析大跨橋梁結(jié)構(gòu)的地震損傷行為和損傷狀態(tài)，從而實現(xiàn)材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)三個層次的損傷評估。這種基于損傷理論的地震損傷評估方法，對擬建橋梁設(shè)計方案的合理性、既有橋梁的加固維修方案和震后橋梁搶修加固策略的實施均可提供量化指標，是確保大型橋梁結(jié)構(gòu)在地震荷載條件下，安全可靠運營的科學手段，因而具有現(xiàn)實而

3、長遠的戰(zhàn)略意義。根據(jù)結(jié)構(gòu)地震損傷行為分析的需要，文章開展了以下幾個方面的工作： 1．闡述了混凝土的損傷本構(gòu)關(guān)系及橋梁結(jié)構(gòu)地震損傷行為和損傷評估的研究現(xiàn)狀，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有問題的特點，制定了相應(yīng)的研究方法和技術(shù)路線(第一章)； 2．闡明了混凝土材料的損傷機理和損傷力學研究方法，探討了建立損傷力學問題的基本過程，指出損傷力學公理化的理論基礎(chǔ)，推導了不可逆熱力學的第一第二定律的表達式，進而提出了損傷本構(gòu)的關(guān)

4、鍵和難點問題(第二章)； 3．鑒于混凝土材料的拉壓異性、靜水壓力敏感性效應(yīng)明顯以及非相關(guān)流動等特性，采用改進的Drucker-Prager強度理論作為初始屈服面和塑性勢函數(shù)，選擇基于彈性應(yīng)變能和塑性勢的Helmholtz自由能表達式，并根據(jù)材料斷裂能定義損傷變量，同時用彈性應(yīng)變能定義損傷準則及損傷的演化方程，在此基礎(chǔ)上推導了基于熱動力學理論的標量損傷彈塑性統(tǒng)一本構(gòu)方程(第三章第二及第三節(jié))； 4．研究了混凝土的率型動力損

5、傷本構(gòu)，以線粘彈性考慮阻尼應(yīng)力的影響，并將阻尼影響耦合到連續(xù)切線剛度矩陣中，同時考慮了混凝土的隨動強化效應(yīng)(第三章第四及第五節(jié))； 5．給出了基于時間離散的應(yīng)力、應(yīng)變及損傷變量等非線性方程的數(shù)值表達式，采用適于塑性損傷理論的基于向后Euler法的應(yīng)力更新算法——兩步圖形返回的最近投影點法，推導了滿足迭代結(jié)果收斂假設(shè)的塑性參數(shù)及算法剛度張量，給出了平面應(yīng)力和空間梁單元的本構(gòu)積分算法的Jacobi矩陣。(第四章第二節(jié))； 6

6、．開發(fā)了基于大型商業(yè)軟件的平面應(yīng)力以及三維梁單元的用戶材料子程序，編寫了基于計算過程和后處理的數(shù)據(jù)訪問接口Fortran程序，并結(jié)合已有試驗對本文模型進行了驗證(第四章第三節(jié))； 7．闡述了結(jié)構(gòu)動力損傷有限元分析的基本框架，給出常用單元的Jacobi矩陣，列出彈塑性損傷空間梁單元截面內(nèi)力的積分形式，進而得到動力學方程，在此基礎(chǔ)上對一座大跨混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進行地震非線性損傷分析，得到了結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的損傷變量演化曲線(第五章)