【博士】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【2007】

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　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2007年　　大跨度混凝土橋梁是生命線工程，這些工程在和平時(shí)期是經(jīng)濟(jì)動(dòng)脈的咽喉，災(zāi)難時(shí)期則是救災(zāi)物資調(diào)運(yùn)、受災(zāi)群眾轉(zhuǎn)移的必經(jīng)之路。因此大跨橋梁在強(qiáng)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(shí)性和有效性。在激勵(lì)于邊界條件、結(jié)構(gòu)類型已知的情況下，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(xué)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(jī)理和損傷本構(gòu)的理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)損傷過程的不可逆熱力學(xué)方程，建立普適的混凝土動(dòng)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(biāo)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)三個(gè)層次的損傷評(píng)估。這種基于損傷理論的地震損傷評(píng)估方法，對(duì)擬建橋梁設(shè)計(jì)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(shí)施均可提供量化指標(biāo)，是確保大型橋梁結(jié)構(gòu)在地震荷載條件下，安全可靠運(yùn)營(yíng)的科學(xué)手段，因而具有現(xiàn)實(shí)而長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義?！　「鶕?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(gè)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(píng)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(diǎn)，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(jī)理和損傷力學(xué)研究方法，探討了建立損傷力學(xué)問題的基本過程，指出損傷力學(xué)公理化的理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)了不可逆熱力學(xué)的第一第二定律的表達(dá)式，進(jìn)而提出了損傷本構(gòu)的關(guān)鍵和難點(diǎn)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(dòng)等特性，采用改進(jìn)的Drucker-Prager強(qiáng)度理論作為初始屈服面和塑性勢(shì)函數(shù)，選擇基于彈性應(yīng)變能和塑性勢(shì)的Helmholtz自由能表達(dá)式，并根據(jù)材料斷裂能定義損傷變量，同時(shí)用彈性應(yīng)變能定義損傷準(zhǔn)則及損傷的演化方程，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了基于熱動(dòng)力學(xué)理論的標(biāo)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(dòng)力損傷本構(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(shí)考慮了混凝土的隨動(dòng)強(qiáng)化效應(yīng)(第三章第四及第五節(jié))；　　5．給出了基于時(shí)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(dá)式，采用適于塑性損傷理論的基于向后Euler法的應(yīng)力更新算法一一兩步圖形返回的最近投影點(diǎn)法，推導(dǎo)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?jiǎn)卧谋緲?gòu)積分算法的Jacobi矩陣。(第四章第二節(jié))；　　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?jiǎn)卧挠脩舨牧献映绦?，編寫了基于?jì)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(yàn)對(duì)本文模型進(jìn)行了驗(yàn)證(第四章第三節(jié))：　　7．闡述了結(jié)構(gòu)動(dòng)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?jiǎn)卧孛鎯?nèi)力的積分形式，進(jìn)而得到動(dòng)力學(xué)方程，在此基礎(chǔ)上對(duì)一座大跨混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)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)；　　8．由Gauss積分點(diǎn)損傷變量及應(yīng)力應(yīng)變，給出關(guān)于單元體積加權(quán)的損，傷指標(biāo)，提出了基于自由能等效原理的損傷指標(biāo)表達(dá)式，提供了相應(yīng)的有限元算法用來確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷狀態(tài)，依據(jù)現(xiàn)有損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)震后的損傷狀況進(jìn)行評(píng)估，研究了設(shè)計(jì)方案的合理性(第六章)；　　9．根據(jù)本文的理論和試驗(yàn)分析．得出一些建設(shè)性的結(jié)論．探討了需要解決的問題和可能的研究方向(第七章)。并通過實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震損傷分析?！　?

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