混凝土结构多维非线性地震灾变机理与过程模拟

（1）地震动转动分量数学模型的研究： 根据弹性波动理论推导了求取地面转动分量的解析方法；利用重锤锤击地面和地下爆破实验，对地震波转动分量求取方法进行验证；基于3207条平动地震波及相应的转动地震波的统计，探讨了转动反应谱的特点。重要的创新点在于考虑地震动的频散效应，在不同场地条件下，分别给出了体波和面波入射时地震动转动分量的数学模型，其中对于地震波转动分量的求取方法的实验验证，更是属于国际首创。 （2）混凝土材料多维非线性动力学行为 对混凝土试块进行了不同应变率的多轴动态特性试验，建立了考虑多轴动态受力状态和损伤特征的混凝土材料破坏准则和动态损伤本构模型；选用规范中规定使用的建筑钢筋制作试件，试验研究不同强度、不同直径的钢筋在不同应变率下的力学和变形特性，建立了钢筋动态循环本构模型。重要的创新点在于给出了钢筋混凝土材料层次的率型本构关系，结合内时理论和各向同性损伤理论建立了一种能够考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型，从而将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。 （3）混凝土构件多维非线性动力学行为 分别制作了钢筋混凝土梁、柱、剪力墙和节点试件，考虑混凝土强度，钢筋强度，加载速度和加载模式对钢筋混凝土构件的承载能力、破坏模式的影响；重要的创新点在于针对钢筋混凝土结构中的主要构件，考虑空间动力相互作用，进行了应变率对其动力特性和破坏模式的影响，根据试验结果，并结合材料层次的本构关系，建立了钢筋混凝土构件层次的恢复力模型，为复杂空间结构的大规模动力分析奠定基础。 （4）混凝土构件多维非线性动力学行为 进行了钢筋混凝土框架-剪力墙结构试验研究，研究应并率对空间结构破坏特性的影响规律；基于ABAQUS软件开发适用于空间结构多维地震动弹塑性时程分析子程序；对实际工程结构进行多维地震动力响应的仿真分析，探讨了应变率对结构的影响，在理论上深入研究结构多维弹塑性破坏机理。其中重要的创新点在于根据实测的混凝土应变率，进一步验证了地震作用下混凝土材料及结构构件的应变率范围，为应变率效应对材料、构件以及结构的影响研究提供了可靠的参考依据。 2100433B

本项目将从多尺度上研究混凝土材料、构件及结构多维非线性地震灾变机理与损伤过程模拟。首先从产生多维非线性作用效应的地震动入手，理论上在分层弹性介质和不均匀场地条件下，建立考虑频散效应的转动分量数学模型；模拟混凝土复杂的空间受力状态，对混凝土试块进行不同应变率的多轴动态特性试验，建立考虑多轴动态受力状态和损伤特征的混凝土材料破坏准则及动态损伤本构模型；对钢筋混凝土梁、柱、剪力墙及相应的节点构件进行多轴拟静力实验，建立不同钢筋混凝土构件的多维动力破坏准则及非线性动力损伤本构模型；提出空间结构多维地震动作用下扭转耦联的弹塑性分析方法，并进行结构整体模型的振动台实验，研究空间结构地震破坏的全过程以及倒塌机制。本项目的研究对于大跨空间等重大工程结构的灾害荷载作用机理的认识、结构设计水准的提高以及结构的耐久性和安全性增强，均具有重要的科学意意义。

随着高坝建设的发展，坝高已经超过300m，在如此高的水压荷载和强烈地震共同作用下，地基中的断层等地质构造与坝体的各种构造在强烈地震过程中，可能会出现张开闭合等现象，高拱坝与地基的材料可能进入非线性状态，甚至会出现不同程度的开裂。为充分了解高拱坝的失效模式与破坏机理，科学合理地评价高拱坝真实的抗震安全度，急需对高拱坝在强烈地震荷载作用下的灾变机理和破损全过程开展研究。本项目主要研究高拱坝在强震作用下的灾变机理与破损全过程。通过混凝土试验与分析研究混凝土的动力特性和本构关系；通过岩体及结构面的动力试验研究坝基动力特性与强度；基于小变形理论建立考虑多种复杂因素的高拱坝真实性态模拟模型，研究高拱坝的开裂破坏及加固机理；基于大变形建立高拱坝的破坏模型，研究高拱坝的溃坝机理；并通过模型试验对成果进行验证；得到各种主要影响因素对高拱坝应力变形状态的影响，为建立高拱坝的设计理论与分析方法奠定基础。

本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，并取得了一系列研究成果。 本项目从汶川地震收集的山岭隧道震害资料出发，统计分析了汶川地震中山岭隧道的震害资料，提出了山岭隧道抗震风险层次分析模型，深入调查了受损隧道的地质构造情况，研究了跨断层隧道的震害特征，并系统描述了跨断层隧道的震害形态。 通过断层活动与地震耦合作用下隧道—断层体系的灾变机理研究，提出了采用损伤指标和能量指标分析隧道—断层体系的非线性反应，建立起基于损伤指标和能量指标的隧道—断层体系的安全性评价体系。并提出了在隧道断层处设置结构构造的措施。 根据穿越活动断层隧道的地震动力响应特性，分析了不同影响因素下隧道纵向抗震设防长度，数值模拟结合振动台试验，提出了分级量化指标。根据震害调查分析及模拟结果，对断层区隧道的抗震设防进行了分段，根据不同位置制定了不同的对策措施，并且通过现场测试验证，修改完善了设防体系，最终提出了跨断层隧道抗震设防应用性设计参数。 发表学术论文10篇，其中SCI收录2篇，EI收录7篇，部分研究成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收录）、《Disaster Advances》（SCI收录）、《中南大学学报（自然科学版）》(EI收录)、计算力学学报学报(EI收录)、土木工程学报(EI收录)及《现代隧道技术》(EI收录)等国内外期刊上。另外，发表学术专著一部，并获得大连市人民政府资助出版。 2100433B