论文部分内容阅读
随着我国交通基础设施建设的步伐大大加快，桥梁结构的防震减灾问题更为突出。作为重要的交通枢纽工程，强震作用下，长大桥梁的倒塌和破坏程度，将严重影响震后的救援及灾后重建工作。震害分析表明，地震中桥墩破坏和桥跨结构间发生的碰撞反应是导致桥梁整体破坏乃至落梁的主要原因，因此，进行桥梁结构和地震碰撞行为的精细化建模理论与方法研究具有重要的理论意义和工程价值。本文以长大桥梁为对象，对钢筋混凝土桥梁的重要构件、碰撞行为及全桥结构的精细化建模理论与模拟方法进行深入研究，主要创新工作与成果有：
(1)建立了钢筋混凝土纤维梁柱单元的一种实用模拟平台FENAP，开发了相应的具有钢和混凝土多种单轴本构模型的材料库FENAP/MAT。利用该平台模拟了钢圆形桥墩、钢筋混凝土矩形悬臂梁和桥墩试件在反复加载条件下的滞回性能，并与试验和OpenSees分析程序结果进行对比，结果表明，FENAP平台与试验和OpenSees程序得到的滞回关系曲线吻合较好，可有效模拟低周反复荷载条件下钢筋混凝土桥梁构件的非线性滞回性能，能够较好地考虑构件的刚度和强度退化等损伤效应、轴力和弯矩的耦合效应，以及箍筋对混凝土的约束效应等强非线性行为，且计算效率和求解精度高。
(2)利用FENAP平台精细化地模拟了钢筋混凝土高桥墩在静力推覆荷载作用下的完整破坏过程。以一实际西部山区空心截面高桥墩为研究对象，利用FENAP平台对其进行了Pushover分析，通过对构件、截面和纤维层次的力-位移关系曲线分析，模拟了桥墩从墩底混凝土开裂、纵筋屈服到受压区混凝土压碎的完整破坏过程。并将FENAP平台与OpenSees计算结果进行对比，结果表明，FENAP平台可有效地模拟高墩在静力推覆荷载下的破坏过程和软化行为，具有较高的求解精度。进一步比较不同轴压比、是否考虑约束混凝土效应及纵筋届曲效应等因素对分析结果的影响，得出结论，轴压比和约束混凝土效应对高桥墩的破坏过程发展有较大影响，而纵筋屈曲效应影响较小，可忽略不计。
(3)基于钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟分析平台FENAP，研究了结合纤维梁柱单元与有限元软件ABAQUS进行非线性动力分析的原理，推导了动力分析过程，并开发了FENAP平台的多维非线性动力分析模块。应用该模块分别模拟分析了钢筋混凝土桥墩在单向地震激励下的数值试验和钢筋混凝土桥墩在双向地震激励下的振动台试验，结果表明，基于FENAP平台所开发的非线性动力分析模块，可有效模拟钢筋混凝土桥墩的复杂非线性动力行为，可考虑双向弯矩和轴力的耦合作用，且求解精度和计算效率较高。进一步对比单向与双向地震激励下桥墩的响应差别，结果表明，双向地震下得到的峰值位移响应大于单向，而加速度峰值响应小于单向。双向的耦合作用减小了结构的刚度，增大了结构的响应。对于桥墩构件而言，双向地震的多维耦合作用是不可忽略的，仅进行单向地震响应分析会高估构件的刚度，低估构件的位移响应。
(4)利用显式中心差分法，建立了基于显式算法的纤维梁柱单元模型，有效地解决了由于材料软化和结构负刚度所导致的数值不收敛问题，并将该单元模型引入到钢筋混凝土精细化实用模拟平台FENAP中。分别利用显式纤维梁柱单元模型进行了钢悬臂梁的滞回特性分析、钢筋混凝土桥墩的推覆和地震响应分析，并与隐式纤维梁柱单元模型和OpenSees软件的计算结果进行对比，结果表明，所建立的显式纤维梁柱单元模型可有效模拟材料软化行为，避免由负刚度所引起的数值不收敛问题，且具有较高的计算精度和求解效率。
(5)对比研究了不同碰撞接触单元模型的适用条件及模拟精度。在FENAP平台基础上，添加了四种常用的碰撞接触单元模型，包括线性弹簧模型、Kelvin-Voigt模型、Hertz模型及Jankowski-Hertz-damp模型等，开发了FENAP平台的结构碰撞响应分析模块，并采用不同的接触单元模型进行了数值理论验证和正弦波激励、地震动激励等不同加载条件下的碰撞试验对比分析。分析结果表明，基于FENAP平台所建立的碰撞分析模块，具有较高的计算精度。对于正弦波和地震动激励情况，Kelvin-Voigt模型和Jankowski-Hertz-damp模型均具有较高的模拟精度和适用性，而线性弹簧模型和Hertz模型，由于未能考虑能量损失影响，因而仅适用于恢复系数较高的近似弹性碰撞情况。
(6)提出了适用于桥梁多维碰撞响应分析的三维Kelvin接触-摩擦撞击模型。将二维Kelvin-Voigt碰撞接触单元模型和库伦摩擦模型相结合，利用库伦摩擦模型来模拟发生纵向碰撞后，接触点间的横向和竖向相对摩擦作用，以真实地模拟结构接触位置的三维撞击行为。进一步将该模型引入到FENAP平台中，将平台中的纤维模型与所提出的三维碰撞模型良好结合，进而对一两联多跨钢筋混凝土连续梁桥进行了双向地震动激励下的多维碰撞响应分析，结果表明，所提出的三维撞击模型不仅能够模拟邻梁间的纵向碰撞响应，还能够有效地考虑邻梁间的横向碰撞行为，合理有效；纵向碰撞对刚度较大的桥梁结构影响较大，而对刚度较小的桥梁则影响较小；碰撞会增大墩底剪力和墩项位移，加深桥墩的塑性发展；横向碰撞对整体桥梁的碰撞响应影响较大，不可忽略。