考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。     

钢筋混凝土剪力墙结构阻尼性能研究

阻尼比是一个重要的结构动力特性参数,它对结构的动力响应有着重要影响。目前结构抗震计算通常取阻尼比为常数,这不能真实反映建筑物的阻尼机理,与阻尼比的实测结果也有很大的差距。本文以选取的混凝土剪力墙模型振动台试验实测阻尼数据、拟静力试验前后实测阻尼数据为依据,讨论了混凝土剪力墙阻尼比的取值,统计得到了混凝土剪力墙阻尼比与变形相关的计算公式。通过与已有相关公式的比较,论证了本文建立的阻尼比计算公式的合理性和有效性。     

阻尼比的选取对抗震分析的影响

时程分析法作为一种动力分析方法,能更加真实的反映地震作用的动力响应,随着计算机运行速度的提高及高层建筑的大规模兴建,时程分析法越来越多的运用到工程设计当中。阻尼是结构振动中的基本特性之一,是结构抗震分析中一个重要因素,运用时程分析,就必然涉及阻尼取值问题。本文分析了结构阻尼产生的机理,归纳总结了时程分析法中普遍采用的各种阻尼模型以及工程设计中的阻尼比取值问题。针对单阻尼特性结构及多阻尼特性结构给出其在结构动力时程分析中的不同表达方式。对某结构进行了不同阻尼比下的弹性时程分析,研究表明结构反应随着阻尼比的增大而减小。     

媒体重头文章概览

<正>《土木建筑与环境工程》05/2015钢筋混凝土圆柱等效阻尼比及在桥梁坑震分析中的应用基于对50根弯曲破坏钢筋混凝土圆柱低周反复试验结果的分析,建立了完整滞回环的数学表达式并推导得出等效阻尼比计算模型;以双柱墩桥梁为例,说明了建立桥梁整体结构等效阻尼比与墩柱端部塑性铰等效阻尼比关系的方法。研究表明,完整滞回环数学表达式较好地反映了弯曲破坏钢筋混凝土圆柱的滞回特性,得到的等效阻尼比模型计算结果与试验结果符合较好;采用建立的桥梁整体结构等效阻尼比与墩柱端部塑性铰等效阻尼     

EPS混合土的动模量和阻尼比特性

作为一种路堤填料,EPS混合土在动力荷载作用下的模量和阻尼比是进行路堤动力稳定性分析的重要参数。开展了15个循环扭剪试验研究EPS混合土的动力特性,分析了EPS混合土的骨干曲线、模量以及阻尼比特性,重点讨论了配合比和初始固结条件的影响。结果表明,EPS混合土具有典型的动力非线性特征,受水泥土强度和初始应力状态控制;EPS掺入比对混合土的初始剪切模量几乎无影响,但土体进入非线性阶段后,EPS颗粒对混合土强度的削弱作用明显;EPS颗粒与水泥土间薄弱接触面的动力行为导致"结构阻尼"效应,是混合土阻尼机制的重要组成;EPS混合土的初始剪切模量随试样初始小主应力增大而增大,其模量衰减特性与初始小主应力和EPS掺入比显著相关。基于试验结果,给出了描述EPS混合土骨干曲线、模量衰减和阻尼比增长特性的经验模型。     

轻钢增层房屋阻尼比确定的能量法

阻尼比是反映结构耗能能力的参数,对结构的振动反应有着重要影响。目前结构设计阶段通常取阻尼比为常数,这不能真实反映建筑物的阻尼机理,与阻尼比的实测结果也有很大的差距。本文基于复阻尼理论,采用能量法推导了增层房屋任意振型阻尼比的计算公式,提出了地震反应谱的修正方法,并利用Matlab工具语言编制程序对此方法进行实现。最后,通过对一个数值算例结果的分析,验证了本文方法的可行性和实用性。     

基于阻尼的地震循环荷载作用下黏土非线性模型

提出一种基于阻尼比的黏土动应力应变模型,通过在滞回曲线中显示地引入代表阻尼比大小的形状系数,使得理论滞回曲线真实地反应土体的滞回阻尼性能。首先推导在等幅对称荷载下滞回曲线的理论方程。然后,为将该模型应用于随机地震荷载的情况,对扩展的曼辛不规则加卸载准则进行了改造,提出当沿小圈加载时,滞回曲线奔向曾经到达过的最大加卸载点。最后,介绍对一种粉质黏土进行的等幅循环荷载和不规则荷载作用下的循环单剪试验。试验结果表明,模型能够较好地模拟土在地震循环荷载作用下的滞回特性。     

饱和黏弹性土中单桩的纵向振动

基于Biot两相介质模型,在频率域内研究了简谐荷载作用下饱和黏弹性土中桩纵向耦合振动特性。借助Novak平面应变模型推导了饱和黏弹性土层的控制方程。将桩等效为一维杆件模型,建立了桩的振动方程。根据桩土连续性条件,求得了桩顶的动力刚度和动力阻尼。与Novak解进行了对比,并考察了长径比、流固相互作用系数、土骨架的阻尼比、桩土模量比等参数对饱和土桩系统纵向振动的影响。结果表明:单相和饱和黏弹性土中桩的动力特性存在一定差异;随着长径比的增加,动刚度因子和等效阻尼的共振效应明显减弱;而随着模量比的增加,共振效应和基频都有所增大;流固相互作用系数和土骨架的阻尼比影响相对较小。     

钢筋混凝土圆柱等效阻尼比及在桥梁抗震分析中的应用

基于对50根弯曲破坏钢筋混凝土圆柱低周反复试验结果的分析,建立了完整滞回环的数学表达式并推导得出等效阻尼比计算模型;以双柱墩桥梁为例,说明了建立桥梁整体结构等效阻尼比与墩柱端部塑性铰等效阻尼比关系的方法。研究表明,完整滞回环数学表达式较好地反映了弯曲破坏钢筋混凝土圆柱的滞回特性,得到的等效阻尼比模型计算结果与试验结果符合较好;采用建立的桥梁整体结构等效阻尼比与墩柱端部塑性铰等效阻尼比的关系进行pushover分析更能反映实际情况。采用等效阻尼比模型算得的目标位移与基于Rosenblueth模型和Kowalsky模型算得的位移之间存在较大差距。     

SSI体系阻尼比实测及其分布规律研究

 阻尼比是结构动力分析的重要动力特性参数,目前规范采用的阻尼比是基于刚性地基或近似刚性地基的试验结果,未能考虑土与结构相互作用(SSI)效应。针对SSI效应问题,体系阻尼比的准确评估是其动力分析的重要前提。为了实现实际SSI体系阻尼比值较准确的识别,提出环境激励下SSI体系阻尼比测试与识别方法,并应用这一识别方法,给出西安及其周围地区82幢各类SSI体系基本等效黏滞阻尼比的实测识别结果。同时在实测阻尼比数据的基础上,初步研究实际SSI体系阻尼比的总体分布规律、影响因素和取值范围。     

覆冰导线三自由度耦合舞动稳定性判定及气动阻尼研究

利用风洞内支架式三自由度频率可调的弹簧悬挂装置对D形覆冰六分裂导线节段气弹模型进行舞动试验,在不同气动力特性的风攻角下调整竖/扭自振频率比及风速,激发并记录纯竖向、纯扭转、竖扭耦合和扭转水平耦合等失稳舞动。分别基于实测响应和三自由度舞动响应非线性数值模拟结果识别导线的竖向和扭转气动阻尼并与Den Hartog或Nigol舞动理论计算值进行对比,研究导线气动阻尼与气动特性、自振特性及风速之间的关系。试验结果发现：由于Den Hartog或Nigol系数正负不同以及竖/扭频率比不同,导线气动负阻尼绝对值会随风速提高以指数形式增大或者是随风速提高先增大后减小至小于结构阻尼;用单自由度舞动理论来预测三自由度舞动存在较大缺陷且偏于不安全。基于特征值摄动法提出覆冰分裂导线竖向-水平-扭转三自由度耦合的舞动稳定性判断条件式,解释了无法用Den Hartog或Nigol单自由度稳定性判断条件式说明的舞动现象,并得到试验结果的验证。     

K0超固结土的统一硬化模型

将所建立的超固结土模型推广为能够反映超固结土的初始应力各向异性的弹塑性模型。它是通过将潜在强度Mf、特征应力比M和状态应力比ηk引入到模型的统一硬化参数中,使模型具有预测超固结土的初始应力各向异性、剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径依赖性等基本特性的功能。采用SMP强度准则并结合变换应力方法对模型实现了三维化。通过与试验结果比较表明,提出的模型能够较好地描述初始应力各向异性超固结土的应力应变特性。     

考虑主应力轴旋转作用的一个增量模型

 为了探究主应力轴旋转作用下土体的变形规律,采用如下思路构建模型：(1) 分析二维铝棒的单剪试验结果可知,剪应力与正应力之比(剪应力比)与剪应变的类似双曲线关系,采用威布尔函数作为描述上述二者的关系表达式,不仅可反映双曲线型关系,还能充分考虑到应力比的应变软化现象。(2) 利用应力莫尔圆上的应力比表达式,与威布尔函数联立得到了剪应变的隐函数。该隐函数认为有3个影响剪应变的因素：反映等向压缩或偏压作用下产生剪应变的球应力p,对于一般剪切作用下产生相应剪应变的滑动摩擦角 ,在莫尔圆上剪应力与大主应力之间的夹角半角 。(3) 通过对上述隐函数求导可得到剪应变与剪应力比之间的增量表达式,联立Rowe剪胀方程,建立二维条件下的考虑主应力轴旋转的增量本构模型,上述二维方程可通过SMP准则拓展为三维增量本构模型。所提WB模型不仅能反映土体的压硬性、剪切体缩、体胀、应变硬化、软化,还能充分反映主应力轴旋转作用下的土体一般应力–应变关系。通过莫尔圆圆周应力路径以及单剪试验和等向压缩试验的结果与预测结果对比,验证了所提模型的适用性及合理性。     

固化土结构的形成模型

通过理论分析和试验验证,提出了一个固化土结构的形成模型。该模型认为:粉土固化土结构是由固化剂水化物充分包裹胶结土颗粒和填充土颗粒间孔隙而构成;黏性土固化土结构是通过固化剂水化物包裹胶结土团粒、填充土团粒间孔隙、挤压填充土团粒内孔隙而构成。该模型可以较好地反映固化剂掺量和种类与固化土强度增长规律间的关系。该模型指出,对于不同土质类型,固化剂可能产生的水化物种类,对固化剂优化设计具有指导作用。     

城市固体废弃物应力–应变模型研究

根据我国杭州市城市固体废弃物(MSW)的组成,在室内人工配置了MSW试样,采用静三轴CD试验研究了不同组成MSW在加载–卸载–再加载条件下的变形及强度特性。在三轴试验结果的基础上,分析了MSW应力–应变关系的特点,建立了双线性应变硬化模型,得到了包括卸载模量和泊松比在内的一套完整模型参数。研究表明,MSW的应力–应变关系受MSW组成及压实程度影响较大。采用有机物与无机物含量的比值作为垃圾组成的分类指标,有机物和无机物的比值较大时采用双线性模型更加符合实际情况;比值较小时,MSW的应力–应变关系表现出与一般土体相似的规律,可用双曲线模型表示。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

协同滑坡预测预报模型的改进及其应用

由于原始协同模型中将第一个数据点作为已知条件缺乏足够的论证,可能导致预测预报精度较低,故对原始协同模型进行了改进,推导了改进的协同模型位移预测值和滑坡发生时间预报值的计算公式;另外,根据原始协同模型中以速度最大值作为滑坡时间预报判据缺乏合理性,以加速度最大值作为预报判据更加符合滑坡力学机制的结论,推导了协同模型加速度最大值预报判据预报值的计算公式。基于推导的公式,编写了Matlab程序进行计算,一些滑坡实例的协同模型预测预报结果表明：①与原始协同模型的预测预报结果相比,改进模型的位移预测精度更高、预报的滑坡发生时间更早,且更接近于滑坡实际发生时间;②对于速度和加速度最大值两种不同判据的滑坡时间预报结果,加速度最大值判据的预报时间早于速度最大值判据的预报时间,且其预报准确度较高;③改进的模型加速度最大值判据的预报时间较准确,且稍早于滑坡实际发生时间,故能起到提前预报的作用。因此,改进协同模型优于原始模型,加速度最大值判据优于速度最大值判据,用改进模型加速度最大值判据进行预报是可行的,且预报效果较好。