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原文传递桥梁结构钢材滞回本构模型改进及其应用研究

论文题名：	桥梁结构钢材滞回本构模型改进及其应用研究
关键词：	桥梁结构;钢材;荷载作用;本构模型;抗震性能
摘要：	钢桥结构弹塑性地震反应的有限元计算精度往往取决于采用的材料非线性滞回本构模型是否合理。目前，国内外现行钢桥设计规范关于钢材本构模型的规定尚不完备，本构关系的选取问题在钢桥抗震研究领域未得到应有的重视。由于既有高精度钢材本构模型在复杂荷载作用下的计算精度并未得到明确，限制了其在复杂钢桥地震反应分析中的应用。为此，本文结合国家自然科学基金项目“基于震后性能要求的复杂钢桥抗震设计方法研究(51378460)”中的关于桥梁结构钢材弹塑性本构关系的研究，对钢材修正双曲面滞回本构模型进行了改进，使之适用于地震等复杂应变历史，并在此基础上探讨了材料本构模型对钢拱桥抗震性能评估的影响。论文的主要工作及研究结论包括以下几个方面: 　　1.从滞回性能和低周疲劳性能两方面讨论了材料本构模型对钢桥构件在循环荷载下极限状态预测的影响。结果显示，材料本构对钢桥构件的滞回性能和低周疲劳断裂预测结果的影响均较为显著，常用的双折线随动强化模型难以提供准确的计算结果。使用高精度的材料滞回本构模型对保证钢桥滞回反应分析结果的准确性至关重要。　　2.针对钢材在包含小幅循环的复杂应变历史下的滞回特性，通过改进既有修正双曲面模型的应力-应变路径的判断准则，对钢材修正双曲面本构模型进行了再修正，给出了单轴应力状态和三维应力状态下的修正方法，并从材料和结构两个层面验证了改进的双曲面模型的准确性和适用性。　　3.通过循环加载试验测定了适用于我国桥梁结构钢材的修正双曲面模型参数，比较了Q345钢材与国外同级别钢材滞回性能的异同，并进一步验证本文提出的改进的双曲面模型的合理性。　　4.针对钢材在低周疲劳荷载下的抗拉承载能力退化现象，根据结构钢材的低周疲劳试验结果，对修正双曲面模型进行进一步改进。改进后的模型能够较好地考虑材料在进入破坏阶段之前的抗拉承载能力退化效应，提高了应力和滞回耗能预测精度。　　5.以大跨上承式和中承式钢拱桥为背景，分别采用改进前后的双曲面模型以及双折线随动强化模型对两座钢拱桥进行强震作用下的弹塑性地震时程反应分析。结果表明，虽然不同滞回本构模型对拱桥结构地震位移的计算精度影响较小，得到的轴力时程反应基本一致，但对结构应力，应变履历影响显著。在损伤显著的区域，双折线随动强化模型的应力计算结果明显偏小，应变履历计算结果与双曲面模型差异很大，并容易高估结构的滞回耗能效果;改进前后双曲面模型的应变履历计算结果亦存在不可忽略的差距。在损伤严重的部位，双折线随动强化模型可能低估损伤区域的大小。材料滞回本构模型对钢拱桥结构基于变形性能和低周疲劳的损伤评价产生较大影响。
作者：	王彤
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	谢旭
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文