鋼筋混凝土橋梁精細(xì)化建構(gòu)及地震碰撞分析.pdf

1、隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐大大加快，橋梁結(jié)構(gòu)的防震減災(zāi)問題更為突出。作為重要的交通樞紐工程，強(qiáng)震作用下，長大橋梁的倒塌和破壞程度，將嚴(yán)重影響震后的救援及災(zāi)后重建工作。震害分析表明，地震中橋墩破壞和橋跨結(jié)構(gòu)間發(fā)生的碰撞反應(yīng)是導(dǎo)致橋梁整體破壞乃至落梁的主要原因，因此，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)和地震碰撞行為的精細(xì)化建模理論與方法研究具有重要的理論意義和工程價值。本文以長大橋梁為對象，對鋼筋混凝土橋梁的重要構(gòu)件、碰撞行為及全橋結(jié)構(gòu)的精細(xì)化建模理論與模擬

2、方法進(jìn)行深入研究，主要創(chuàng)新工作與成果有：
　　 (1)建立了鋼筋混凝土纖維梁柱單元的一種實(shí)用模擬平臺FENAP，開發(fā)了相應(yīng)的具有鋼和混凝土多種單軸本構(gòu)模型的材料庫FENAP/MAT。利用該平臺模擬了鋼圓形橋墩、鋼筋混凝土矩形懸臂梁和橋墩試件在反復(fù)加載條件下的滯回性能，并與試驗(yàn)和OpenSees分析程序結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，F(xiàn)ENAP平臺與試驗(yàn)和OpenSees程序得到的滯回關(guān)系曲線吻合較好，可有效模擬低周反復(fù)荷載條件下鋼筋混凝

3、土橋梁構(gòu)件的非線性滯回性能，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)、軸力和彎矩的耦合效應(yīng)，以及箍筋對混凝土的約束效應(yīng)等強(qiáng)非線性行為，且計(jì)算效率和求解精度高。
　　 (2)利用FENAP平臺精細(xì)化地模擬了鋼筋混凝土高橋墩在靜力推覆荷載作用下的完整破壞過程。以一實(shí)際西部山區(qū)空心截面高橋墩為研究對象，利用FENAP平臺對其進(jìn)行了Pushover分析，通過對構(gòu)件、截面和纖維層次的力-位移關(guān)系曲線分析，模擬了橋墩從墩底混凝土開裂、縱

4、筋屈服到受壓區(qū)混凝土壓碎的完整破壞過程。并將FENAP平臺與OpenSees計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，F(xiàn)ENAP平臺可有效地模擬高墩在靜力推覆荷載下的破壞過程和軟化行為，具有較高的求解精度。進(jìn)一步比較不同軸壓比、是否考慮約束混凝土效應(yīng)及縱筋屆曲效應(yīng)等因素對分析結(jié)果的影響，得出結(jié)論，軸壓比和約束混凝土效應(yīng)對高橋墩的破壞過程發(fā)展有較大影響，而縱筋屈曲效應(yīng)影響較小，可忽略不計(jì)。
　　 (3)基于鋼筋混凝土纖維梁柱單元實(shí)用模擬分析平臺

5、FENAP，研究了結(jié)合纖維梁柱單元與有限元軟件ABAQUS進(jìn)行非線性動力分析的原理，推導(dǎo)了動力分析過程，并開發(fā)了FENAP平臺的多維非線性動力分析模塊。應(yīng)用該模塊分別模擬分析了鋼筋混凝土橋墩在單向地震激勵下的數(shù)值試驗(yàn)和鋼筋混凝土橋墩在雙向地震激勵下的振動臺試驗(yàn)，結(jié)果表明，基于FENAP平臺所開發(fā)的非線性動力分析模塊，可有效模擬鋼筋混凝土橋墩的復(fù)雜非線性動力行為，可考慮雙向彎矩和軸力的耦合作用，且求解精度和計(jì)算效率較高。進(jìn)一步對比單向與雙

6、向地震激勵下橋墩的響應(yīng)差別，結(jié)果表明，雙向地震下得到的峰值位移響應(yīng)大于單向，而加速度峰值響應(yīng)小于單向。雙向的耦合作用減小了結(jié)構(gòu)的剛度，增大了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。對于橋墩構(gòu)件而言，雙向地震的多維耦合作用是不可忽略的，僅進(jìn)行單向地震響應(yīng)分析會高估構(gòu)件的剛度，低估構(gòu)件的位移響應(yīng)。
　　 (4)利用顯式中心差分法，建立了基于顯式算法的纖維梁柱單元模型，有效地解決了由于材料軟化和結(jié)構(gòu)負(fù)剛度所導(dǎo)致的數(shù)值不收斂問題，并將該單元模型引入到鋼筋混凝土精細(xì)

7、化實(shí)用模擬平臺FENAP中。分別利用顯式纖維梁柱單元模型進(jìn)行了鋼懸臂梁的滯回特性分析、鋼筋混凝土橋墩的推覆和地震響應(yīng)分析，并與隱式纖維梁柱單元模型和OpenSees軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，所建立的顯式纖維梁柱單元模型可有效模擬材料軟化行為，避免由負(fù)剛度所引起的數(shù)值不收斂問題，且具有較高的計(jì)算精度和求解效率。
　　 (5)對比研究了不同碰撞接觸單元模型的適用條件及模擬精度。在FENAP平臺基礎(chǔ)上，添加了四種常用的碰撞接觸

8、單元模型，包括線性彈簧模型、Kelvin-Voigt模型、Hertz模型及Jankowski-Hertz-damp模型等，開發(fā)了FENAP平臺的結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析模塊，并采用不同的接觸單元模型進(jìn)行了數(shù)值理論驗(yàn)證和正弦波激勵、地震動激勵等不同加載條件下的碰撞試驗(yàn)對比分析。分析結(jié)果表明，基于FENAP平臺所建立的碰撞分析模塊，具有較高的計(jì)算精度。對于正弦波和地震動激勵情況，Kelvin-Voigt模型和Jankowski-Hertz-damp

9、模型均具有較高的模擬精度和適用性，而線性彈簧模型和Hertz模型，由于未能考慮能量損失影響，因而僅適用于恢復(fù)系數(shù)較高的近似彈性碰撞情況。
　　 (6)提出了適用于橋梁多維碰撞響應(yīng)分析的三維Kelvin接觸-摩擦撞擊模型。將二維Kelvin-Voigt碰撞接觸單元模型和庫倫摩擦模型相結(jié)合，利用庫倫摩擦模型來模擬發(fā)生縱向碰撞后，接觸點(diǎn)間的橫向和豎向相對摩擦作用，以真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)接觸位置的三維撞擊行為。進(jìn)一步將該模型引入到FENAP平