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原文传递基于微平面模型的桥梁船撞数值模拟与简化动力分析

论文题名：	基于微平面模型的桥梁船撞数值模拟与简化动力分析
关键词：	桥梁船撞问题;数值模拟;简化动力分析;桥梁结构
摘要：	国内外频发的船撞事故以及我国跨江河、海峡桥梁建设和船舶运输业的快速发展使桥梁船撞问题越来越受到桥梁决策和设计者的高度重视，特别是最近广东九江大桥和在建宁波金塘桥被撞塌事故更是引起了社会各界的广泛关注。尽管船撞桥计算理论已取得了很大进步，但是其数值模拟和简化动力分析方法仍有许多问题需要解决。正是在上述背景下，本文针对作为船撞桥数值模拟和分析重要内容的钢筋混凝土材料本构模型以及简化动力分析方法进行了研究，以满足桥梁船撞分析和设计的需要。完成的主要研究工作如下：一、针对桥梁船撞情形，建立和初步验证了钢筋混凝土微平面动态本构模型(简称RCM)，并开展了相关研究工作。主要包括：(1)在深入分析被撞混凝土结构的力学特点和配筋模式的基础上通过应变协调假定、应力贡献的面积率假定和合应力的叠加方法建立了配筋混凝土本构模型的理论框架；(2)在上述理论框架中，通过选择混凝土微平面模型和改进的钢筋模型提出了RCM本构模型，并推导了其切线刚度矩阵；(3)建立了钢筋混凝土微平面模型适于动力显式分析的增量显式算法；(4)给出了RCM本构模型用于确定特定应力应变状态的材料隐式算法，并用数学优化理论给出了隐式算法全局收敛性的严格证明，在此基础上为RCM本构模型提出了一种参数优化办法，即一种全新格式的神经网络与遗传算法结合的方法；(5)通过三个静力试验和一个动力初步验证了RCM本购模型的合理性。二、简要介绍了LS-DYNA用户材料开发的基本流程，并相应开发了RCM模型的LS-DYNA材料子程序，以便用于桥梁船撞等工程仿真分析与应用。三、基于RCM模型进行了船撞桥实例分析和建立了一种构件截面能力分析方法。通过一个桥梁船撞仿真分析算例，论述了RCM模型相对于素混凝土或单一配筋率混凝土模型的优势、计算效率等问题，探讨了钢筋混凝土桥梁结构的撞击力、动力反应特点、材料的动态效应以及可能出现的构件破坏模式，并初步揭示了采用杆系模型分析桥梁船撞动力反应的可行性。作为另一个重要应用方面，本文建立了一种基于RCM模型的钢筋混凝土构件截面能力分析方法——基于应变或曲率逐级增量加载模式的有限元分析方法，这种方法不仅能得到力(矩)-应变(曲率)全过程曲线，而且可以考虑材料的动态效应。四、建立了桥梁船撞分析的简化动力荷载模型。在大量撞击力时程样本基础上总结并提出了三种船撞简化动力荷载模型：多段线、三角形和半波正弦时程荷载模型，并通过两种代表性桥梁结构的动力反应分析验证了荷载模型的合理性(基本克服了静态荷载模型不能考虑上部结构惯性质量约束的缺陷)，比较三种荷载模型的优劣，初步提出了这种荷载模型应用的工程修正方法和改进建议。其中根据修正的撞击力样本数据对陈诚提出的最大撞击力经验公式进行了改进。五、针对特定船撞条件下的桥梁安全问题建立了一种简化动力分析方法。基本思路是：根据特定船撞条件确定船撞简化动力荷载，并将其作用于桥梁结构分析动力反应，构件的抗力通过截面应变或曲率逐级增量加载的有限元分析确定(此时钢筋混凝土构件的抗力采用RCM材料模型分析)，最后通过比较结构位移、内力反应与位移控制、构件抗力的大小评定桥梁结构在特定船撞条件下的安全状况。具体的算例表明这种简化动力分析方法避免了复杂的碰撞计算且简单有效，可用于桥梁船撞设计与分析。最后对基于RCM模型的桥梁船撞数值模拟和简化动力分析方法进行了总结，并对需要进一步研究的问题进行了展望。
作者：	欧碧峰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王君杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学土木工程学院
学位年度：	2008
正文语种：	中文