混凝土结构多维非线性地震灾变机理与过程模拟

本项目将从多尺度上研究混凝土材料、构件及结构多维非线性地震灾变机理与损伤过程模拟。首先从产生多维非线性作用效应的地震动入手，理论上在分层弹性介质和不均匀场地条件下，建立考虑频散效应的转动分量数学模型；模拟混凝土复杂的空间受力状态，对混凝土试块进行不同应变率的多轴动态特性试验，建立考虑多轴动态受力状态和损伤特征的混凝土材料破坏准则及动态损伤本构模型；对钢筋混凝土梁、柱、剪力墙及相应的节点构件进行多轴拟静力实验，建立不同钢筋混凝土构件的多维动力破坏准则及非线性动力损伤本构模型；提出空间结构多维地震动作用下扭转耦联的弹塑性分析方法，并进行结构整体模型的振动台实验，研究空间结构地震破坏的全过程以及倒塌机制。本项目的研究对于大跨空间等重大工程结构的灾害荷载作用机理的认识、结构设计水准的提高以及结构的耐久性和安全性增强，均具有重要的科学意意义。

（1）地震动转动分量数学模型的研究：. 根据弹性波动理论推导了求取地面转动分量的解析方法；利用重锤锤击地面和地下爆破实验，对地震波转动分量求取方法进行验证；基于3207条平动地震波及相应的转动地震波的统计，探讨了转动反应谱的特点。重要的创新点在于考虑地震动的频散效应，在不同场地条件下，分别给出了体波和面波入射时地震动转动分量的数学模型，其中对于地震波转动分量的求取方法的实验验证，更是属于国际首创。.（2）混凝土材料多维非线性动力学行为. 对混凝土试块进行了不同应变率的多轴动态特性试验，建立了考虑多轴动态受力状态和损伤特征的混凝土材料破坏准则和动态损伤本构模型；选用规范中规定使用的建筑钢筋制作试件，试验研究不同强度、不同直径的钢筋在不同应变率下的力学和变形特性，建立了钢筋动态循环本构模型。重要的创新点在于给出了钢筋混凝土材料层次的率型本构关系，结合内时理论和各向同性损伤理论建立了一种能够考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型，从而将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。.（3）混凝土构件多维非线性动力学行为. 分别制作了钢筋混凝土梁、柱、剪力墙和节点试件，考虑混凝土强度，钢筋强度，加载速度和加载模式对钢筋混凝土构件的承载能力、破坏模式的影响；重要的创新点在于针对钢筋混凝土结构中的主要构件，考虑空间动力相互作用，进行了应变率对其动力特性和破坏模式的影响，根据试验结果，并结合材料层次的本构关系，建立了钢筋混凝土构件层次的恢复力模型，为复杂空间结构的大规模动力分析奠定基础。.（4）混凝土构件多维非线性动力学行为. 进行了钢筋混凝土框架-剪力墙结构试验研究，研究应并率对空间结构破坏特性的影响规律；基于ABAQUS软件开发适用于空间结构多维地震动弹塑性时程分析子程序；对实际工程结构进行多维地震动力响应的仿真分析，探讨了应变率对结构的影响，在理论上深入研究结构多维弹塑性破坏机理。其中重要的创新点在于根据实测的混凝土应变率，进一步验证了地震作用下混凝土材料及结构构件的应变率范围，为应变率效应对材料、构件以及结构的影响研究提供了可靠的参考依据。