钢筋混凝土构件的阻尼特性和地震破坏模型研究

摘要

本文论述了钢筋混凝土构件的阻尼特性和地震破坏模型研究。 阻尼是结构基本动力特性之一，是影响结构动力反应的重要因素之一。阻尼不像质量和刚度一样，有明确的、直接的测量方法和手段。所以在抗震设计中，长期以来存在着阻尼值的估计问题。在结构的振动中，各种响应都是阻尼的函数，能否正确估计阻尼，直接影响到结构动力分析结果的可靠性，阻尼值一个小的差异可能会导致结构响应上成倍的变化，甚至几十倍的差异。随着结构抗灾能力要求提高和各种减灾、隔震、减震技术的应用，结构固有的阻尼取值是否合理势必影响到各种减灾、隔震、减震技术的应用效果。因此，阻尼产生机理和阻尼合理取值的研究成为了工程界一个迫切需要解决而棘手的研究课题。由于阻尼机理的复杂，国内外现在对阻尼的认识和理解还停留在阻尼现象的表面。从材料和构件层面来研究阻尼问题是使阻尼研究从现象深入到本质的一种必要。阻尼耗能的多少是随着结构的破坏程度而增加，所以阻尼耗能的多少就能反应出结构的损伤程度，而现行的破坏准则往往忽略了这一点。 基于此，进行了如下研究工作： 1．介绍阻尼的概念和研究意义。对国内外对阻尼的研究历史和现状进行了综合的评述，分析了结构阻尼耗能的产生原因和阻尼耗能的分类。介绍了几种常见的阻尼模型和相应的阻尼值确定方法。 2．从材料层次定义材料阻尼损耗系数J 。以钢筋混凝土受弯构件为研究对象，对其在振动中的阻尼耗能问题进行了研究，分析中把阻尼耗能看成是一种空间分布的能量损失。认为钢筋混凝土受弯构件在小振幅振动时，构件阻尼比与材料本身的阻尼特性和构件的截面形式以及构件上的周期性荷载类型有关。推导了常见三种截面形状的截面形状（损耗）因子和矩形截面受弯构件在三种简谐荷载作用下的纵向应力传递（损耗）因子的表达式；并通过已有的阻尼实验数据计算出几种不同的混凝土强度、不同弹性模量、不同配筋率下对应的钢筋混凝土材料的阻尼耗能系数。分析了该系数同三个变量之间的变化关系。 3．研究了结构损伤有限元建模中的阻尼问题。建议以“阻尼损伤”的提法表述损伤时阻尼的变异，并在此基础上给出了伴生阻尼损伤和材料阻尼损伤的定义。提出了一种同时考虑材料阻尼损伤和伴生阻尼损伤的阻尼损伤建模方法。探讨了几种不同损伤建模路线对阻尼损伤建模能力，并通过数值算例进行了比较。计算还揭示了局部刚度损伤对结构局部阻尼特性、振动能量分布和阻尼耗能行为的影响。结论建议，在进行结构损伤建模时应同时计及刚度损伤和阻尼损伤，并采用合适的损伤建模路线来进行。 4．分析了钢筋混凝土结构在弹塑性地震反应过程中的阻尼耗能的分布和特点。对国内外现有的几种结构地震破坏模型进行了深入的分析比较研究。在分析各种破坏模型优缺点的基础上，针对钢筋混凝土压弯构件提出了考虑了阻尼耗能影响时的地震破坏模型。由相关的试验资料验证了基于阻尼耗能和延性指标的双参数破坏准则中的参数α和β，根据相关试验验证了该破坏准则的可靠性，分析了破坏指数与阻尼耗能的关系。根据本文的研究情况，提出了在阻尼研究领域需要迫切解决的几个问题及进一步研究方向。