基于改进微平面本构模型的RC桥墩地震损伤评价方法

Earthquake damage assessment is the basic problem and difficulty for bridge seismic design. The pier damage process and mechanism has been described from the microscopic perspective applying microplane constitutive model. A new microplane grid division method is derived from spherical geometry theory which clarifying the concept of microplane orientation and weights and optimizing the discretization algorithm analysis. Based on mathematical analysis, mapping relations between microscopic and macroscopic is revealed. The microplane stress-strain relationship is improved which simplifying the model parameters and clearing its physical meaning. The macroscopic mechanics phenomenon is explained from microscopic point of view. Steel reinforced concrete constitutive model is established for structural numerical calculation which can consider steel distribution characteristics based on the idea of microplane orientation and weight concept. Based on theoretical analysis, numerical and structural testing, the intrinsic relation between microscopic and macroscopic, the material and component damage is studied. The seismic damage evaluation method for reinforced concrete bridge piers is proposed and the specific quantitative index is identified which bring decision-making basis for bridge pier seismic design and safety assessment.

针对桥梁抗震设计中桥墩地震损伤评价的基本问题和难点，应用混凝土微平面本构模型，从细观的角度分析桥墩的损伤演变过程和机理。应用球面几何知识，改进现有混凝土微平面本构模型的微平面划分方法，使微平面取向与权重的概念更直观明确，优化积分离散计算结果。通过数理分析，揭示细观与宏观之间的映射关系，改进微平面应力-应变关系，简化模型参数并明确物理意义，从细观的角度阐释宏观力学现象。基于微平面取向和权重概念的思想建立考虑钢筋分布特点的配筋混凝土本构模型，用于结构数值计算。结合理论分析，数值计算和结构试验，研究细观与宏观，材料与构件之间损伤的内在联系规律。提出钢筋混凝土桥墩地震损伤评价方法，确定具体的量化指标，为桥墩抗震设计与安全评估提供决策依据。

针对桥梁抗震设计中桥墩地震损伤评价的基本问题和难点，应用混凝土微平面本构模型，从细观的角度分析桥墩的损伤演变过程和机理。应用球面几何知识，提出了基于正十二面体向球面投影的改进方法，取向均匀性很好，微平面划分方式灵活，省去了现有方法通过迭代优化算法确定权重的麻烦，微平面形状直观且优化了积分离散计算结果。通过数理分析，揭示细观与宏观之间的映射关系，用微平面模型中体、偏、剪三个分量弹性模量表示出了宏观本构模型的弹性刚度矩阵，在此基础上改进了现有微平面本构模型中存在着应力边界物理意义不明确，模型参数太多等问题。提出了两个观点，一是微平面上各分量的应力-应变关系（除体积分量外）是近似理想弹塑性的，在细观层面不会出现软化现象，即微应力-应变曲线没有下降段。应变达到一个界限值后应力即消失为零；二是宏观的应变软化现象是由于单个微平面失效后退出工作引起的。在此基础上构建了具有破断应变的弹塑性微平面应力-应变关系。通过材料子程序开发和试验验证表明了所提模型的合理性。基于钢筋混凝土结构中钢筋的分布特点和方向性，构建了基于微平面取向概念的钢筋应力-应变表达式。引入变形协调条件，考虑钢筋作用，根据叠加原理，建立了钢筋混凝土微平面本构模型，给出了模型的全局增量显式算法。基于LS-DYNA进行了材料子程序二次开发，实现基于所提本构模型的试验工况的有限元分析，数值模拟与试验数据拟合良好。通过理论分析，结合墩柱试验数据和基于RCM模型的数值模拟，研究了细观与宏观，材料与构件之间损伤的内在联系规律，提出了基于截面剩余有效面积率的RC桥墩地震损伤评价方法和步骤，通过理论分析，结合墩柱试验与数值模拟，提出了具体的量化评价指标，可为桥墩抗震设计与安全评估提供决策依据。