混凝土結(jié)構(gòu)多維非線性地震災(zāi)變機(jī)理與過程模擬

（1）地震動轉(zhuǎn)動分量數(shù)學(xué)模型的研究： 根據(jù)彈性波動理論推導(dǎo)了求取地面轉(zhuǎn)動分量的解析方法；利用重錘錘擊地面和地下爆破實驗，對地震波轉(zhuǎn)動分量求取方法進(jìn)行驗證；基于3207條平動地震波及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動地震波的統(tǒng)計，探討了轉(zhuǎn)動反應(yīng)譜的特點。重要的創(chuàng)新點在于考慮地震動的頻散效應(yīng)，在不同場地條件下，分別給出了體波和面波入射時地震動轉(zhuǎn)動分量的數(shù)學(xué)模型，其中對于地震波轉(zhuǎn)動分量的求取方法的實驗驗證，更是屬于國際首創(chuàng)。 （2）混凝土材料多維非線性動力學(xué)行為 對混凝土試塊進(jìn)行了不同應(yīng)變率的多軸動態(tài)特性試驗，建立了考慮多軸動態(tài)受力狀態(tài)和損傷特征的混凝土材料破壞準(zhǔn)則和動態(tài)損傷本構(gòu)模型；選用規(guī)范中規(guī)定使用的建筑鋼筋制作試件，試驗研究不同強(qiáng)度、不同直徑的鋼筋在不同應(yīng)變率下的力學(xué)和變形特性，建立了鋼筋動態(tài)循環(huán)本構(gòu)模型。重要的創(chuàng)新點在于給出了鋼筋混凝土材料層次的率型本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合內(nèi)時理論和各向同性損傷理論建立了一種能夠考慮混凝土率效應(yīng)的內(nèi)時損傷本構(gòu)模型，從而將混凝土材料的受力軟化效應(yīng)分解為密實狀態(tài)的塑性效應(yīng)和由微裂縫擴(kuò)展引起的剛度退化效應(yīng)。 （3）混凝土構(gòu)件多維非線性動力學(xué)行為 分別制作了鋼筋混凝土梁、柱、剪力墻和節(jié)點試件，考慮混凝土強(qiáng)度，鋼筋強(qiáng)度，加載速度和加載模式對鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力、破壞模式的影響；重要的創(chuàng)新點在于針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件，考慮空間動力相互作用，進(jìn)行了應(yīng)變率對其動力特性和破壞模式的影響，根據(jù)試驗結(jié)果，并結(jié)合材料層次的本構(gòu)關(guān)系，建立了鋼筋混凝土構(gòu)件層次的恢復(fù)力模型，為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的大規(guī)模動力分析奠定基礎(chǔ)。 （4）混凝土構(gòu)件多維非線性動力學(xué)行為 進(jìn)行了鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)試驗研究，研究應(yīng)并率對空間結(jié)構(gòu)破壞特性的影響規(guī)律；基于ABAQUS軟件開發(fā)適用于空間結(jié)構(gòu)多維地震動彈塑性時程分析子程序；對實際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維地震動力響應(yīng)的仿真分析，探討了應(yīng)變率對結(jié)構(gòu)的影響，在理論上深入研究結(jié)構(gòu)多維彈塑性破壞機(jī)理。其中重要的創(chuàng)新點在于根據(jù)實測的混凝土應(yīng)變率，進(jìn)一步驗證了地震作用下混凝土材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變率范圍，為應(yīng)變率效應(yīng)對材料、構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)的影響研究提供了可靠的參考依據(jù)。 2100433B

本項目將從多尺度上研究混凝土材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)多維非線性地震災(zāi)變機(jī)理與損傷過程模擬。首先從產(chǎn)生多維非線性作用效應(yīng)的地震動入手，理論上在分層彈性介質(zhì)和不均勻場地條件下，建立考慮頻散效應(yīng)的轉(zhuǎn)動分量數(shù)學(xué)模型；模擬混凝土復(fù)雜的空間受力狀態(tài)，對混凝土試塊進(jìn)行不同應(yīng)變率的多軸動態(tài)特性試驗，建立考慮多軸動態(tài)受力狀態(tài)和損傷特征的混凝土材料破壞準(zhǔn)則及動態(tài)損傷本構(gòu)模型；對鋼筋混凝土梁、柱、剪力墻及相應(yīng)的節(jié)點構(gòu)件進(jìn)行多軸擬靜力實驗，建立不同鋼筋混凝土構(gòu)件的多維動力破壞準(zhǔn)則及非線性動力損傷本構(gòu)模型；提出空間結(jié)構(gòu)多維地震動作用下扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的彈塑性分析方法，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體模型的振動臺實驗，研究空間結(jié)構(gòu)地震破壞的全過程以及倒塌機(jī)制。本項目的研究對于大跨空間等重大工程結(jié)構(gòu)的災(zāi)害荷載作用機(jī)理的認(rèn)識、結(jié)構(gòu)設(shè)計水準(zhǔn)的提高以及結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性增強(qiáng)，均具有重要的科學(xué)意意義。

隨著高壩建設(shè)的發(fā)展，壩高已經(jīng)超過300m，在如此高的水壓荷載和強(qiáng)烈地震共同作用下，地基中的斷層等地質(zhì)構(gòu)造與壩體的各種構(gòu)造在強(qiáng)烈地震過程中，可能會出現(xiàn)張開閉合等現(xiàn)象，高拱壩與地基的材料可能進(jìn)入非線性狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)不同程度的開裂。為充分了解高拱壩的失效模式與破壞機(jī)理，科學(xué)合理地評價高拱壩真實的抗震安全度，急需對高拱壩在強(qiáng)烈地震荷載作用下的災(zāi)變機(jī)理和破損全過程開展研究。本項目主要研究高拱壩在強(qiáng)震作用下的災(zāi)變機(jī)理與破損全過程。通過混凝土試驗與分析研究混凝土的動力特性和本構(gòu)關(guān)系；通過巖體及結(jié)構(gòu)面的動力試驗研究壩基動力特性與強(qiáng)度；基于小變形理論建立考慮多種復(fù)雜因素的高拱壩真實性態(tài)模擬模型，研究高拱壩的開裂破壞及加固機(jī)理；基于大變形建立高拱壩的破壞模型，研究高拱壩的潰壩機(jī)理；并通過模型試驗對成果進(jìn)行驗證；得到各種主要影響因素對高拱壩應(yīng)力變形狀態(tài)的影響，為建立高拱壩的設(shè)計理論與分析方法奠定基礎(chǔ)。

本項目通過三年的研究工作，已完成項目計劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風(fēng)險層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過斷層活動與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評價體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動斷層隧道的地震動力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動臺試驗，提出了分級量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計參數(shù)。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計算力學(xué)學(xué)報學(xué)報(EI收錄)、土木工程學(xué)報(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學(xué)術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B