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目前我国常用的结构是混凝土结构。在混凝土结构、节点或构件的抗震性能试验分析中,我们一般从“定量”和“定性”两种角度来分析。
所谓“定量”,即研究对象的滞回曲线、骨架曲线,累计耗能,等效黏滞阻尼比,屈服位移,极限位移,延性系数,刚度退化等,从数据中得到研究对象的力学性能。
所谓“定性”,即研究对象的裂缝开展形态,破坏模式,塑性铰的产生等,从直观的现象中得到研究对象的受力特征。
实质上,两者是相通的,从定量性的曲线中能反映出结构的受力特征;反之,从宏观的现象中也能反映出结构的耗能能力,延性,强度等。为了解结构/构件的力学性能,目前针对于结构、节点及构件的抗震性能试验研究多采用拟静力试验。
(对于混凝土构件拟静力试验模拟分析,详情请看:)
在循环荷载作用下,钢筋混凝土构件的滞回曲线一般具有以下特点:
a)混凝土受拉开裂及钢筋的受拉屈服使刚度降低;
b)屈服后,在同一级位移处,第二、三次加载的承载力和刚度均低于第一次加载(强度退化)。
根据材料、受力及构造的不同,结构、节点或构件的滞回曲线的典型形状一般有如下四种:
① 梭形
② 弓形
③ 反S形
④ Z形
(对于理论滞回模型,可阅读:)
滞回曲线上同向(拉或压)各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线称为骨架曲线。骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹,反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性(强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等),也是确定恢复力模型中特征点的重要依据。
耗能能力是结构、构件或节点在地震作用下的一项重要的抗震性能指标。引起结构耗能的原因主要有两个方面:阻尼耗能和弹塑性耗能。
(阻尼元件中也经常在消能减震结构中产生于阻尼耗能,详情可见推文:)
在此我们主要讨论结构或构件超过弹性极限后的弹塑性耗能。目前,对耗能能力常用的两项指标为累计耗能和等效黏滞阻尼比,两者具有不同的特征。累计耗能为滞回曲线的包络面积,它反映了试件在地震作用下耗散地震能量的能力。等效黏滞阻尼比为滞回曲线包络面积与其对应的弹性势能的比值,反映了滞回曲线的饱满程度,用下式确定:
SABCD为试件滞回曲线包络面积,SODE和SOBF为在相应加载级上的正负向弹性势能。
简单来说,累积耗能为研究对象的耗能总量,等效黏滞阻尼比为研究对象的耗能效率。两者为两个不同的概念,累积耗能多的结构等效黏滞阻尼比不一定大,反之,等效黏滞阻尼比大的结构累积耗能不一定多。所以我们在做抗震试验分析时需要通过这两个指标对其耗能性能进行综合评估。
(4)延性
a)等能量法
该方法由Park R.在1989年提出。该方法用包络面积相等的理想弹塑性二折线代替原来的曲线,将二折线拐点的位移作为屈服位移在曲线上对应的点为屈服点。该方法不能通过作图获得屈服点,需要用数值积分试算,在操作上较为复杂,且对具有二次刚度的双线性构件将得到不合理的结果。
该方法套用套用金属材料的规定,以塑性残余变形为0.2%确定屈服点。但直接将金属材料单轴屈服点推广到构件、结构中,会出现不合理的情况。
该方法取0.75倍峰值荷载点A,作原点O与点A的连线,与峰值点水平线相交于B,将B点位移作为屈服位移,对应的点为屈服点。该方法计算较为简单,但屈服荷载系数0.75的确定具有一定的随意性。
该方法作直线OA与初始段相切,与过峰值点的水平线交于A点,作垂线AB与曲线交于B点,连OB并延伸与水平线交于C点,将C点的位移作为屈服位移在曲线上对应的点为屈服点。但作图过程中初始刚度的确定将对最终屈服点的确定产生较大的影响。
对于屈服拐点不明显的试件而言,目前研究中采用的较多的是“等能量法”及“0.75作图法”。前者力学原理清晰,但操作计算较为复杂,需要采用数值积分试算;后者计算较为简单,但该方法具有一定的随意性。
Fi+ 和 Fi-在某加载级上正负向峰值荷载,∆i+ 和 ∆i-是某加载级上正负向峰值位移。此处力和位移是广义的,当对应为荷载和位移时,所对应的刚度为侧向刚度;当对应为弯矩和转角时,所对应的刚度即为抗弯刚度。
下期再见!