基于损伤理论的大跨梁桥地震灾变机理和抗震性能研究

结构地震灾变机理的描述方法决定了抗震性能分析手段的选择，而结构地震灾变源于大变形、材料非线性及材料刚度的降低。常用的弹塑性时程分析方法虽然可以考虑几何及材料非线性效应，却无法考虑损伤效应。本项目拟在材料的应力应变层次上考虑损伤问题，建立满足热力学定律的损伤本构模型，通过Lagrange动力分析方法开发损伤梁单元，推导基于自由能等效原理的地震损伤指标公式。结合数值模拟、拟静力和振动台实验，对大跨度桥梁地震灾变机理和灾变过程进行精细化分析。主要研究内容包括：（1）延性构件损伤的拟静力和振动台实验研究，分析构件的损伤机理和性能目标；（2）损伤梁单元的动力分析模型和计算方法；（3）基于损伤的性能抗震设计理论和方法。通过上述研究，深入揭示大跨桥梁地震灾变的物理机制，为结构设计提供一种基于损伤的性能抗震分析手段，实现对大跨度桥梁地震灾变的合理有效控制，提升大跨桥梁的抗震减灾能力。

大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。