基于ABAQUS的碳纳米管混凝土桥墩抗震性能的分析与研究

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自21世纪以来,我国的经济取得了飞速的发展,作为经济发展的重要交通结构,桥梁一直以来扮演着极其重要的角色。为了适应经济的高速发展,我国的桥梁建设已经步入了一个高速发展的阶段,桥梁也朝着跨江、跨海等具有高难度、高要求的方向发展,例如港珠澳大桥。但同时,我国处于板块交界处,是地震多发区,许多经济发达地区一旦遭遇地震,其带来的损失往往比地震本身更为严重,桥梁作为生命线工程,若是由于地震作用而破坏,将会导致后续救援、重建工作难以进行,所以,对其抗震性能的研究就显得极为重要。桥墩作为桥梁结构最为重要的部分,传统的钢筋混凝土桥墩已经不能满足我们对桥梁结构的抗震需求。碳纳米管(CNT)是一种新型纳米纤维材料,有着重量轻,强度高,延性好的特点,将其掺入混凝土中制成的碳纳米管混凝土,其在各方面性能都要优于普通混凝土。目前,将碳纳米管混凝土应用到桥墩,研究桥墩抗震性能方面的研究还很少。本文将通过ABAQUS有限元分析软件,研究碳纳米管混凝土应力-应变关系,并建立碳纳米管混凝土桥墩,研究碳纳米管混凝土桥墩的抗震性能,主要包括以下内容:(1)通过研究碳纳米管混凝土结构特点,选用混凝土损伤理论进行分析,并在此基础上提出最适合混凝土受力作用变化特点的混凝土弹塑性损伤本构模型,提出了本文碳纳米管混凝土有限元分析的方法。(2)结合代表体积单元的概念,利用分子结构力学的等效连续体模型理论,将碳纳米管等效成圆柱体,并在此基础上建立碳纳米管混凝土代表体积单元,通过模拟碳纳米管混凝土单轴拉压试验,最后得到了碳纳米管混凝土的本构关系并提出了关系式。(3)利用得到的碳纳米管混凝土本构关系,模拟碳纳米管混凝土抗折试验,并结合实际试验数据来验证其本构关系的合理性。结果发现,模拟得到的碳纳米管混凝土抗折强度为5.13MPa,与实际试验得到的碳纳米管混凝土抗折强度5.35MPa之间的误差为4.1%,在容许误差范围内,说明模拟得到的碳纳米管混凝土本构关系具有一定的合理,这也为本文研究碳纳米管混凝土桥墩提供了条件。(4)通过对碳纳米管混凝土桥墩进行低周往复运动模拟,得到其滞回曲线、骨架曲线以及位移延性系数,并与普通混凝土桥墩进行比较。结果发现相同荷载下,碳纳米管混凝土桥墩滞回曲线滞回环包围的面积要大于普通混凝土,且极限承载能力提升了7.3%、位移延性系数提升了11.5%,表明了碳纳米管混凝土拥有更好的抗震性能。(5)通过对碳纳米管混凝土桥墩进行动力时程分析,分析在三种地震波作用下,碳纳米管混凝土桥墩墩顶响应,并绘制墩顶相对峰值位移、转角的时程曲线图,发现Taft波作用下,碳纳米管混凝土桥墩的墩顶相对峰值位移相比普通混凝土减小了64%,墩顶最大转角减小了3.6%,说明了碳纳米管混凝土桥墩在地震作用下产生了墩顶位移、墩顶转角更小,更有利于结构的抗震。(6)对本文得到的结论进行总结,得到碳纳米管混凝土桥墩抗震性能的分析结果,同时也针对本文研究过程中的薄弱环节,提出了一些建议,对碳纳米管混凝土其他方面的应用提出了展望。
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