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《北京交通大学》 2006年 博士论文
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钢筋混凝土及钢管混凝土材料阻尼研究

文捷  
【摘要】: 阻尼是振动中耗能的总和,是反映结构体系振动过程中能量耗散特征的参数,也是影响结构振动响应和地震反应的重要因素之一。其内涵广泛、机理复杂,直到目前还难以形成统一的、普遍认为较符合实际的认识。 在实际的工程分析中,结构的阻尼值常常根据组成材料取为常数或采用Rayleigh阻尼,即质量和刚度的叠加形式进行计算。但这种只根据材料性质不考虑动力系统因素的取值方式不尽合理,Rayleigh阻尼更是为计算解耦而构造出的模型,物理意义不是很清楚。大量的研究和测试资料表明,在强迫振动作用下,阻尼要比由自由振动测试所获得的数值大出很多,是随着应力或变形的增大而提高的。其原因主要来源于节点间的摩擦耗能及材料内部的材料阻尼耗能。工程材料,如钢筋混凝土材料阻尼的研究思想目前还一直停留在认为其为常数的阶段,基本上采用试验测量,结果分散,难以从理论上得到材料阻尼值及变化规律。钢管混凝土作为新型组合材料,其材料阻尼的研究还处在起步阶段,研究文献尚未见到。因此,钢筋混凝土和钢管混凝土受迫振动条件下的材料阻尼研究对工程结构抗震设计与动力分析具有重要的理论与实际意义。 本文重点围绕受迫振动下钢筋混凝土和钢管混凝土弹性阶段的材料阻尼问题展开研究,主要工作如下: (1)在Lazan对材料阻尼及应力关系研究的基础上,利用OpenSEES系统(Open System of Earthquake Engineering Search),采用钢材双线性本构模型、约束及非约束混凝土本构模型及Karsan-Jirsa加卸载准则,分别计算了混凝土轴压构件、钢筋混凝土轴压构件及钢筋混凝土压弯构件的单位体积损耗能量。在分析各种因素对耗能影响的基础上,通过SPSS统计分析软件回归建立了混凝土轴压构件、钢筋混凝土轴压构件及钢筋混凝土压弯构件材料单位体积耗能与其影响参数的理沦关系式。 (2)采用双线性钢本构模型、约束混凝土本构模型及混凝土加卸载准则,计算钢管混凝土轴压构件和压弯构件的单位体积损耗能量。结果表明,钢管混凝土材料耗能随着最大应力幅值的提高而增大,同时随混凝土抗压强度、截面含钢率及轴压比的增大而减小。利用SPSS统计分析软件回归建立了钢管混凝土轴压构件和压弯构件材料单位体积耗能与最大应力幅值、混凝土抗压强度、截面含钢率及轴压比的理论关系式。 (3)采用解析方法,计算构件内的应力幅值与应力分布,并应用求得的材料单位体积损耗能量公式,采用理论方法获得了钢梁、钢筋混凝土梁及钢管混凝土拱的材料阻尼值,并定量分析了材料及动力系统各参数对工程材料阻尼值的影响规律,发现构件材料阻尼值不仅随材料因素变化,而且几何因素对构件材料阻尼值影响较大。 (4)在复阻尼动力系统内,采用有限元法,克服了解析法只能计算无阻尼状态下应力的缺点,迭代计算获得了钢和钢筋混凝土梁及框架结构以及钢管混凝土柱—钢梁组合框架的真实材料阻尼值及相应的动力响应,并与取常阻尼系数计算的动力响应进行了对比,发现无论是构件或结构,材料阻尼值都表现出随应力增长而增大的特性,且该特性能有效抑制结构振动响应振幅。


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