考虑损伤累积效应的SRHSHPC框架节点滞回模型研究

于 飞,张宏仁

(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

考虑损伤累积效应的SRHSHPC框架节点滞回模型研究

于 飞,张宏仁

(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

为考虑反复荷载作用下累计损伤对型钢高强高性能混凝土(SRHSHPC)框架节点力学性能的影响,进行了分析研究。该文将损伤指标引入到考虑软化段的三线型滞回模型中,建立了考虑损伤累积效应的SRHSHPC框架节点荷载-位移滞回模型,并分析了轴压比和混凝土强度对节点强度退化的影响。结果表明,理论计算与试验结果吻合较好;加载后期轴压比大的节点强度退化较快;混凝土强度高的节点加载前期强度退化较小;其受力后期抵抗位移以及荷载循环次数的能力大大下降。考虑损伤累积效应的滞回模型较为准确地模拟了SRHSHPC框架节点在反复荷载作用下的滞回性能,反映了框架节点产生损伤后其强度和刚度的退化规律,可为SRHSHPC结构的非线性地震反应分析提供理论依据。

SRHSHPC框架节点;损伤累积;退化;滞回模型

0 引 言

型钢高强高性能混凝土(SRHSHPC)结构是新型高技术混凝土在型钢混凝土结构中的应用[1]。在地震荷载作用下,SRHSHPC框架节点破坏主要是由低周疲劳累积损伤引起的,低周疲劳累积损伤对抗力的影响主要体现为SR HSHPC框架节点滞回模型中强度和刚度的退化。因此,所建立的滞回模型能否客观地反映累积损伤所引起的结构强度和刚度的退化,直接影响到结构抗震能力评估的精确性[2],这也是进行结构非线性地震反应分析的前提。目前滞回模型多采用低周反复加载试验与理论分析相结合的方法确定[3,4]。

文献[1,5]进行了5榀SRHSHPC框架中节点的抗震性能试验研究,主要分析了混凝土强度和轴压比对节点抗震性能的影响,并提出了考虑软化段的三线型SRHSHPC框架节点滞回模型。该模型考虑了卸载刚度和再加载刚度的退化,但未能揭示反复荷载作用下节点强度的退化。文献[6]以最大变形为损伤参数建立损伤指标,然后将损伤指标引入钢筋混凝土构件的滞回模型中,并通过框架边节点缩尺模型试验分析确定损伤指标中各损伤参数。该滞回模型可以描述反复荷载作用下钢筋混凝土构件的强度和刚度退化,但其损伤模型中没有考虑累计耗能的影响,模型过于简单。本文基于已有试验数据,在描述反复荷载作用下SRHSHPC框架节点刚度和强度退化中引入损伤累积指标D,建立了考虑损伤累积效应的三线型滞回模型,并将计算滞回曲线与试验滞回曲线进行了比较分析。

1 SRHSHPC框架节点损伤累积分析

在地震荷载作用下,结构或构件的破坏程度可用损伤指标D来定量描述,其一般表达式为:

式中:δ1,δ2,…δn称为损伤参数,可选择刚度、变形、能量等。

损伤指标D具有如下性质:(1)D的范围应在[0,1]之间,当D=0时,对应无损状态;当D=1时,意味着结构或构件完全破坏。(2)D应为单调递增的函数,即损伤向着增大的方向发展,且损伤不可逆。根据所选择的损伤参数的不同,损伤指标又可分为单参数损伤描述和双参数损伤描述两类。

实际震害及试验研究表明,由于地震是 —种往复作用,因此地震作用下结构的损伤不仅与最大变形有关,还与结构的低周疲劳效应所造成的累积损伤有关。目前,地震工程界较为一致的看法是,变形与累积耗能的联合效应是引起结构地震破坏的主要原因[7,8]。基于这一思想,并参考文献[5]的研究成果,本文选取的SRHSHPC框架节点损伤模型是基于变形和累积耗能的非线性组合,其损伤指标可表述如下:

式中:usi为第i个荷载循环的延性系数,其值可由式(3)计算;βi为第i个荷载循环的能量耗散系数,其值可由式(4)计算;A,B,α,γ为参数。

式中:δi为第i个荷载循环的最大位移;δy为屈服位移;Ehi为第i个荷载循环所耗散的能量。

2 引入损伤累积指标D的SRHSHPC框架节点的滞回模型

滞回模型是基于试验获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象和简化而得到的实用数学模型[9]。本文主要研究SRHSHPC框架节点在反复荷载作用下强度和刚度的退化规律,其骨架曲线采用考虑弹性段、强化段和软化段的三折线形式。

由于低周疲劳累积损伤将引起SRHSHPC框架节点强度和刚度的退化,因此,将式(2)定义的损伤累积指标D引入SRHSHPC框架节点的滞回模型中,对其在低周反复荷载作用下的强度和刚度退化进行定量描述,滞回模型如图1所示。

图1中,A、D点分别为正向和反向加载的屈服点,AB、DE段分别为正向和反向加载的强化段,BC、EF段分别为正向和反向加载的软化段。其滞回规律可表述如下:

图1 SRHSHPC框架节点考虑损伤累积效应的滞回模型

(1)正向加载时,荷载与位移关系沿骨架曲线OABC发展;在OA段卸载不考虑损伤累积效应对强度及刚度的影响,卸载刚度取初始刚度K0。

(2)在AB段卸载,第一次卸载不考虑刚度退化,由G点卸载到I点再反向加载,将由I点指向骨架曲线的反向屈服点D,并沿反向骨架曲线DEF发展,加载到H点再卸载时,卸载刚度取K0。

(3)由于损伤累积效应的影响,再重新加载时,强度将出现退化,加载曲线由L点指向G′点,点G′与G点处于同一变形处,G′点对应的荷载值可由式(5)计算,通过G′点后节点的骨架曲线变为G′B′C′,其中G′B′和B′C′分别与直线GB和BC平行,即G′点变为SRHSHPC框架节点损伤后骨架曲线的正向屈服点。加载到M点卸载时,卸载刚度由式(6)计算,将由M点指向J点,M点所对应的荷载值可由式(7)计算,再反向加载时,将指向损伤后的反向屈服点H′。

(4)在正向(反向)软化段的加载、卸载滞回规律与强化段类似。只需在计算Pi时,将式(7)中的K1改为K2,在此不再赘述。

式(5)～式(8)中:Di表示第i个荷载循环后SRHSHPC框架节点的损伤累积指标,可由式(2)计算;λ、μ为损伤参数,分别控制损伤累积指标对SRHSHPC框架节点强度和刚度退化的影响程度,其值可由试验数据分析获得。

3 各参数的确定与试验验证

损伤指标中的各个参数的值可由试验数据分析获得。本文通过5榀缩尺比例为 1∶4的SRHSHPC框架中节点的低周反复加载试验[1,5]为依据统计分析,各试件截面尺寸及配筋均相同:梁160 mm×280 mm,柱200 mm×240 mm,梁柱内型钢为I14,纵筋采用4φ 12,箍筋采用φ 8@60。各试件主要设计参数如表1所示。

表1 试件设计参数

文献[5]通过将节点试验结果进行损伤量化,对试验数据进行多元非线性回归,得到了损伤参数A,B,α,γ的值:A=0.2,B=0.14,α=-0.06,γ=0.58。本文从低周反复荷载作用下损伤累积效应引起节点强度和刚度退化的角度出发对损伤参数λ、μ进行统计分析。得到,λ=0.25,μ=0.12。图2为根据上述步骤与方法计算获得的各试件的水平荷载-位移滞回曲线与试验滞回曲线的比较。可以看出,计算滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,表明本文提出的考虑损伤累积效应的滞回模型可以较为准确地模拟SRHSHPC框架节点在反复荷载作用下的强度和刚度退化及其滞回性能。

图2 试验滞回曲线与计算滞回曲线比较

4 强度退化分析

由图2中的滞回曲线可以看出,在某一控制位移下,SRHSHPC框架节点强度随着荷载循环次数的增加而降低,具有明显的退化现象,这主要是由于结构构件累积耗能能力的损失引起的。构件的强度退化可以用某一控制位移下第n次循环的峰值荷载与该级位移下首次加载时的峰值荷载之比来表示[10]。本文5个试件的强度退化与荷载循环次数的关系见图3和图4,可以看出所有试件的强度退化都随着加载位移的增加而加快。

节点 J-1、J-2和 J-3是混凝土强度、截面尺寸、含钢率、核心区配箍率都相同,而轴压比分别为0.2、0.4、0.6的三个试件。由图3可以看出,加载初期轴压比对试件的强度退化影响不大,但轴压比较大的试件后期强度退化较快,这也说明在加载后期其它条件相同的情况下轴压比大的节点比轴压比小的节点具有更大的损伤值。

图3 轴压比对节点强度退化的影响

节点J-3、J-4和J-5是轴压比、截面尺寸、含钢率、核心区配箍率都相同,而混凝土强度分别为 C80、C100、C60的三个试件。图4表明,混凝土强度高的SRHSHPC框架节点试件,在位移不大时,随着荷载循环次数的增加其强度的退化要小于混凝土强度低的试件。但随着位移的增加,前者的强度退化明显比后者的强度退化要快。这主要是由于高强高性能混凝土本身的脆性所引起的。

图4 混凝土强度对节点强度退化的影响

5 结 语

通过对SRHSHPC框架节点的荷载-位移滞回特性的研究,可以得到以下结论:

(1)将定义的基于变形和累积耗能非线性组合的损伤指标D引入SRHSHPC框架节点的荷载-位移滞回模型中,该模型可以揭示循环荷载作用下SRHSHPC框架节点强度和刚度的退化。计算滞回曲线与试验滞回曲线的对比分析表明,本文所提出的SRHSHPC框架节点考虑损伤累积效应的滞回模型具有较高的精度,可为SRHSHPC结构的非线性地震反应分析提供理论依据。本文定义的损伤指标中参数较多,各个参数的确定仍需要更多的试验检验和修正。

(2)本文研究了轴压比、混凝土强度对节点强度退化的影响,结果表明,其它条件相同的情况下,加载后期轴压比大的节点强度退化较快;混凝土强度高的节点加载前期强度退化较小,但由于高强高性能混凝土本身的脆性,其受力后期抵抗位移以及荷载循环次数的能力大大下降。

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Research on Hysteretic Model of SRHSHPC Frame Joints Considering Accumulative Damage

YU Fei,ZHANG Hong-ren
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

In order to reflect the effects of accumulative damage of steel reinforced high strength and high performance concrete(SRHSHPC)frame joints on the mechanical properties such as the strength and stiffness degradation under reversed load,a damage index(D)is introduced into the hysteretic model of SRHSHPC frame joints.Then a trilinear load-displacement hysteretic model of SRHSHPC frame joints considering the accumulative damage is proposed,which could reveal the strength and stiffness degradation of SRHSHPC frame joints.At the same time,the influences of axial compression ratio and concrete strength on the strength degradation of SRHSHPC frame joints are analyzed.The calculated results tally with the experimental results well,and it is showed that the proposed hysteretic model considering the accumulative damage has a considerable precision.

SRHSHPC frame joint;accumulative damage;degradation;hysteretic model

TU398.2

A

1672—1144(2010)02—0041—04

2009-12-28

2010-01-04

陕西省教育厅专项科研计划项目(06JK263)

于 飞(1984—),男(汉族),山东聊城人,硕士,主要从事结构工程研究。