混凝土箱梁桥空间结构分析的多尺度模拟理论

The numerical simulation of the whole process of the reinforced concrete beam bridge has been the focus of the finite element model (FEM, XFEM, etc.) analysis and experiments. But even though a lot of general finite element programs have been introduced the constitutive models for concrete materials, the actual model of a bridge can even reach millions of units, and the analysis time-consuming and convergence bottleneck are the main constraints. Although the academia has put forward improved models, there is still no perfect solution. The fundamental reason is that there is no rational integration of the model volume, the nonlinear constitutive relationship and the convergence. The applicants are expert in nonlinear finite element analysis of concrete bridge and model experiment. Based on the reinforced plate element analysis method (membrane) in a unified theory of concrete, functional properties of the plate element are enriched, unit plate element is efficiently embedded into the box girder. The distribution of fracture characteristics of enriched plate element is quantifed by multi-scale characterization of micro crack propagation in the model experiments. And the characteristics of unit link element binding plate elements to box girder are determined by displacement and strain measurement of model box girder experiments. The mechanism of plastic development and the destruction of box girder bridge is revealed, and a new multiscale simulation theory of concrete box girder bridges is proposed. This research can provide a new perspective for the whole process simulation of concrete structures.

配筋混凝土梁桥空间全过程受力响应的数值模拟一直是有限元模型（FEM，XFEM等）和实验研究的焦点。但即使很多通用有限元程序已推出适用于混凝土材料的本构，针对实际桥梁生成的模型单元甚至可达几百万个，而分析耗时和收敛瓶颈是最大制约。虽然学界提出了改进模型，但至今仍无完善的解决方案，根本原因是没有整合好模型体量、混凝土非线性本构和收敛性三方面的研究。申请人基于混凝土桥非线性有限元分析和模型实验的良好基础，应用混凝土统一理论研究中的空间板（membrane）分析方法，增强板单元功能特性，实现空间箱梁的板单元的高效嵌入，利用模型板实验的裂纹微观扩展进行多尺度表征来量化增强板单元的裂缝特征分布，结合模型箱梁实验的位移和应变测量来确定板单元到空间箱梁的结合单元受力特征，揭示空间箱梁桥的塑性发展和破坏的机理，提出一种新的混凝土箱梁桥多尺度模拟理论。本课题研究可对混凝土结构全过程模拟提供全新视角。

本项目的研究目标是建构一种体量适中、效率较高且模拟较为准确的混凝土箱梁桥多尺度空间结构分析方法。研究总结了配筋混凝土箱梁全过程分析建模方法，分析了单元数量、箱梁空间效应和箱梁角区效应等对模拟性能的局限性；提出了一种适用于混凝土箱梁的壳-梁组合空间单元模型，和实体单元箱梁模型相比，可极大减少单元数量，显著降低混凝土箱梁非线性分析的计算成本和收敛难度，且能与现行设计规范体系和方法衔接，便于配筋设计和强度验算；基于平面内和平面外荷载作用下钢筋混凝土平板试验的验证，确定了不同受力状态下壳单元的适宜本构模型；基于提出的壳-梁组合空间单元模型，编制了独立的配筋混凝土箱梁桥全过程分析程序，该程序采用修正压力场理论和配筋混凝土统一理论进行迭代计算，采用壳、梁单元的分层法实现厚度上的非线性模拟；开展了8片大比例钢筋混凝土和预应力混凝土腹板梁的全过程破坏试验，试验参数包括剪跨比、箍筋间距和张拉控制应力；基于数字图像相关（DIC）技术测量了试验梁的混凝土全场应变，根据混凝土表贴应变片测量数据对DIC测量应变进行了校准；基于裂缝域内的两维应变分布和裂缝判别准则，建立了箱梁腹板斜裂缝宽度、斜裂缝间距和裂缝角度等关键特征提取算法；采用编制的配筋箱梁桥全过程分析程序，开展了多类型的混凝土箱梁桥的试验反演和拓展分析，包括钢筋混凝土箱梁和预应力混凝土箱梁、直线梁和曲线梁、以及体外预应力箱梁等，比较了不同本构模型的影响，不同数值分析模型的计算效率；通过对箱型截面变形（扭转和畸变）等空间性能的分析，提出了弯扭剪复合作用下裂后箱梁截面的有效抗扭刚度，用于箱梁裂后扭转变形和挠度的计算方法，弥补了目前桥梁相关规范在扭转挠度考虑上的不足，为宽箱梁桥的工程实际设计提供参考。研究成果可用于配筋混凝土箱梁桥的全过程受力性能分析，且经济高效。