高层钢筋混凝土结构损伤模型及地震损伤描述

摘要

近年来高层建筑结构发展迅速，而已建高层结构经过强震检验的为数较少，地震损伤机理仍不清晰。为描述高层结构在强地震作用下的损伤机理，本文分别从高层结构地震损伤的材料损伤模型、构件损伤模型及结构整体地震损伤描述展开研究。
　　首先，本文在现有混凝土材料本构模型工作基础上，基于连续介质损伤力学理论，给出了混凝土塑性损伤本构模型(Concrete Plastic Damage Model,CPDM)建立的基本步骤和损伤变量的选取原则，明确了塑性Helmholtz自由能的确定方法，通过假定损伤变量与损伤能量释放率服从Weibull分布，推导了混凝土塑性损伤本构模型的基本公式，进而给出了单轴受力情况下混凝土材料的损伤本构方程、损伤演化方程、塑性变形计算公式。通过与混凝土单调和反复加载作用下的试验结果的对比分析，初步验证了所提出的混凝土塑性损伤模型的有效性，结果表明该模型能够较好地描述混凝土材料的损伤演化行为。
　　其次，为验证本文建立的混凝土材料模型在混凝土结构地震损伤分析的可靠性和可行性，选取了Koyna混凝土大坝地震损伤分析的经典案例进行对比研究。结果表明本文建立的混凝土塑性损伤模型能够较好地描述Koyna大坝的地震损伤演化过程。所定义的损伤变量能有效模拟混凝土结构在地震作用中的损伤累积情况、记录其累积损伤历程，从而较为真实地反映出混凝土结构在强地震作用下的损伤破坏机理。
　　再次，本文研究了钢筋混凝土梁柱构件的地震损伤非线性分析模型和方法。通过在ABAQUS/Explicit平台上利用VUEL用户子程序开发了通用空间梁柱单元模型；结合本文所提出的混凝土材料损伤模型，对单元模型应用截面纤维方法，建立了钢筋混凝土构件的纤维损伤分析模型(Fiber Damage Analysis Model,FDAM)，并定义了描述构件损伤的受压、受拉损伤指数。通过纤维损伤分析模型，可以得到钢筋混凝土构件在荷载作用下的非线性材料损伤行为，实现宏观构件在材料层次上的损伤分析。文中通过与实体模型数值分析对比，初步验证了该模型的准确性。
　　最后，基于本文建立的混凝土塑性损伤本构模型，在ABAQUS/Explicit动力分析平台上，采用组合式模型建立了高层钢筋混凝土剪力墙结构的有限元分析模型，并和振动台试验结果进行了对比分析。计算模型与试验模型的动力特性对比表明，计算模型较好的反映了试验模型的动力特性，计算分析所得结构的动力响应与试验结果吻合较好；试验结果表明，仅仅从结构的层间位移角指标来判断结构大震性能，明确结构的薄弱部位、评价结构的大震性态是不充分的；通过对结构进行基于材料损伤模型的地震损伤描述，明确了结构地震损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度，且和试验结果吻合较好。和试验结果对比分析表明，基于材料层次的地震损伤描述，能够直观地反映结构塑性阶段的损伤部位及扩展情况，能够较为准确的判断高层结构在大震作用下的屈服顺序及薄弱部位，给出结构在大震作用下的真实性态描述，较好地揭示出高层钢筋混凝土结构的地震破坏机理，因而是更为合理、准确和可靠的结构大震描述的性能指标。

目录

高层钢筋混凝土结构损伤模型及地震损伤描述

DAMAGE MODEL AND SEISMIC DAMAGEDESCRIPTION OF HIGH-RISE REINFORCEDCONCRETE STRUCTURES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 结构地震损伤评估研究现状

1.3 地震作用分析方法及模型研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2 章 混凝土塑性损伤本构模型理论框架

2.1 引言

2.2 连续介质损伤力学理论基础

2.3 损伤变量的选取

2.4 混凝土塑性损伤本构模型的建立

2.5 塑性损伤本构模型基本公式总结

2.6 本章小结

第3 章 混凝土塑性损伤本构模型验证

3.1 引言

3.2 混凝土单轴受压塑性损伤本构模型

3.3 混凝土单轴受拉塑性损伤本构模型

3.4 混凝土多轴受力下塑性损伤本构模型验证

3.5 本章小结

第4 章 钢筋混凝土构件纤维损伤分析模型

4.1 引言目前如何

4.2 构件纤维损伤分析模型的建立

4.3 基于VUEL 构件纤维损伤分析模型实现

4.4 钢筋混凝土梁柱构件非线性分析

4.5 本章小结

第5 章 高层钢筋混凝土结构地震损伤描述

5.1 引言

5.2 结构分析概况

5.3 结构非线性地震反应分析

5.4 结构地震损伤描述及试验对比分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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