基于全寿命周期的钢管混凝土结构损伤机理与分析理论

获2019年度国家自然科学奖二等奖

主要完成人：韩林海、杨有福、杨华、李威

主要完成单位：清华大学、福州大学、哈尔滨工业大学

该项目属于土木建筑工程领域 。项目准确揭示了核心混凝土被动约束机制的科学难题，建立了其通用型本构模型，阐明了钢管混凝土结构的损伤机理、受力性能和计算方法，系统建立了基于全寿命周期的钢管混凝土结构分析理论体系。主要成果被多部教材/专著、国家/行业标准采纳，并被直接应用于多个标志性工程设计，实质性地推动了结构工程学科发展。

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大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。 2100433B

内容简介

本书介绍了各类损伤材料的损伤本构关系与损伤演化方程、各向同性损伤与各向异性拐伤问题和热弹性损伤问题的一般理论。另外，还对粘弹性各向同性损伤问题的本构关系进行了理论推导，介绍了材料细观损伤机理与材料宏观力学性能之间的联系及工程上实用有效的损伤本构模型，并对沥青混合料的疲劳问题、沥青路面反射裂缝问题、金属构件的疲劳问题与钢筋混凝土结构的扣伤破等若干工程实际问题，进行了理论分析与计算。

本书可供力学工作者、道路与桥梁工程的科技人员及其他专业科技工作者参考，亦可作为有关专业大学本科高年级学生研究生的教材或教学参考书。

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结构地震灾变机理的描述方法决定了抗震性能分析手段的选择，而结构地震灾变源于大变形、材料非线性及材料刚度的降低。常用的弹塑性时程分析方法虽然可以考虑几何及材料非线性效应，却无法考虑损伤效应。本项目拟在材料的应力应变层次上考虑损伤问题，建立满足热力学定律的损伤本构模型，通过Lagrange动力分析方法开发损伤梁单元，推导基于自由能等效原理的地震损伤指标公式。结合数值模拟、拟静力和振动台实验，对大跨度桥梁地震灾变机理和灾变过程进行精细化分析。主要研究内容包括：（1）延性构件损伤的拟静力和振动台实验研究，分析构件的损伤机理和性能目标；（2）损伤梁单元的动力分析模型和计算方法；（3）基于损伤的性能抗震设计理论和方法。通过上述研究，深入揭示大跨桥梁地震灾变的物理机制，为结构设计提供一种基于损伤的性能抗震分析手段，实现对大跨度桥梁地震灾变的合理有效控制，提升大跨桥梁的抗震减灾能力。