钢筋混凝土柱的非弹性恢复力模型与参数识别

结合Bouc-Wen-Baber-Noori(BWBN)模型和微分进化(DE)算法,提出了一种能够有效考虑强度退化、刚度退化和捏拢效应等典型滞回特性的钢筋混凝土(RC)柱的非弹性恢复力模型及其参数识别方法,并讨论了破坏模式对RC柱非弹性恢复力模型参数的影响规律。分析结果表明,该模型能够较好地描述弯曲、弯剪和剪切破坏模式下RC柱的典型滞回特性;基于DE算法能够较好地识别RC柱的非弹性恢复力模型参数,具有收敛速度快、识别精度高和全局优化性强等优点;RC柱的非弹性恢复力模型参数与破坏模式密切相关,随着RC柱的破坏模式从弯曲破坏到弯剪破坏和剪切破坏的变化,强度退化、刚度退化、捏拢总滑移量、捏拢斜率等参数均逐渐增大,说明剪切破坏型RC柱的退化效应和捏拢效应更加明显。     

工程结构非弹性地震动力反应分析的BWBN模型

建立一种能够有效考虑强度退化、刚度退化和捏拢效应等典型滞回特性的恢复力模型,是开展工程结构抗震设计和抗震性能评估的关键和基础。该文首先回顾了工程结构非弹性地震动力反应分析的单轴、双轴和平扭耦联Bouc-Wen-Baber-Noori(简称BWBN)模型的研究现状,然后介绍了BWBN模型在模型参数识别、概率地震需求分析以及非弹性地震反应谱等方面的最新研究进展,最后对BWBN模型的后续研究工作进行了展望。     

基于改进Bouc-Wen模型的非线性结构非平稳随机地震响应分析

实际的地震记录表明,地震作用是一个明显的非平稳随机过程。在强震作用下,结构会出现滞回非线性,甚至表现出退化特性。考虑此,采用可以模拟结构退化及捏拢效应的改进Bouc-Wen模型来模拟地震作用下结构的滞回行为。基于等价线性化法,建立了非平稳激励下改进Bouc-Wen系统随机响应的求解过程,同时采用Monte Carlo法验证其准确性,并分析了激励强度、退化程度、捏拢效应等参数的影响。以一木排架结构为例,分析了木排架结构在非平稳地震动作用下的随机响应。结果表明:激励强度越大,系统位移均方根和累积滞回耗能均值越大;退化效应使系统的位移均方根明显增加,但对累积滞回耗能均值影响不大;捏拢效应显著增加了系统的位移均方根,但降低了系统的累积滞回耗能均值;另一方面,计算结果显示退化和捏拢效应使得响应偏离高斯分布的程度有所增加,进而使得等价线性化法的计算误差有一定的增加。     

近海大气环境下锈蚀RC框架梁恢复力模型研究

为了研究近海大气环境下锈蚀RC框架梁的抗震性能,对8榀经受不同盐雾腐蚀循环作用的RC框架梁进行了低周反复加载试验,分析RC框架梁的滞回特性。基于试验结果,得到了带有负刚度段的三折线骨架曲线,并根据完好构件恢复力模型特征参数,得到了考虑钢筋锈蚀率和配箍率的锈蚀RC框架梁骨架曲线特征点计算公式。采用回归分析法,得到基于滞回耗能的循环退化指数,通过循环退化指数建立可综合考虑构件的捏拢效应、强度退化、卸载刚度退化、硬化刚度退化和再加载刚度加速退化的锈蚀RC框架梁恢复力模型。研究表明:随着钢筋锈蚀程度的增加,锈蚀RC框架梁的抗震性能劣化较明显,滞回耗能逐渐降低;配箍率对锈蚀RC框架梁恢复力特性的影响与未锈蚀RC框架梁相似;所建立的恢复力模型能够较好的描述锈蚀RC框架梁的滞回特性,可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

建筑结构倒塌分析的单自由度模型

该文建议了一种能够用于建筑结构倒塌分析的单自由度滞回模型。该模型能够模拟骨架线的强化和峰值点后的退化、滞回捏拢、往复荷载作用下的承载力和刚度退化以及P-Δ效应等。为验证所建议的单自由度滞回模型用于结构倒塌分析的有效性和合理性, 以一座8 层钢筋混凝土框架结构为例, 对原型结构和按照基本模态等效的单自由度模型分别进行了IDA 倒塌易损性分析, 结果表明两者的倒塌易损性曲线吻合较好。     

考虑退化、捏拢和双向耦合效应的等强度延性需求谱

传统的等强度延性需求谱通常难以有效地考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及双向恢复力耦合效应的影响。鉴于此,基于双轴Bouc-Wen-Baber-Noori模型,建立了双向地震激励作用下单质点双自由度体系非弹性地震反应谱的基本方程,并定量分析了强度退化、刚度退化、捏拢效应和双向恢复力耦合效应对结构地震延性需求的影响,进而分别建立了等强度延性需求的均值谱和标准差谱的预测方程。分析结果表明:强度退化、刚度退化和捏拢效应会增大结构的地震延性需求;双向恢复力的耦合效应对地震延性需求的影响,取决于结构沿两个主轴方向地震耗能能力的相互竞争;退化、捏拢和耦合效应会明显增大结构地震延性需求的标准差,且非线性程度越高,随机性表现越明显;随着结构沿两个主轴方向自振周期的增加,等强度地震延性需求的均值和标准差均逐渐减小。     

考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别

为了有效地模拟强震作用下桥梁结构的非线性地震反应,需要确定钢筋混凝土（RC）桥墩非线性力-位移滞回关系。基于Bouc-Wen模型,给出了一种考虑RC桥墩强度和刚度退化以及捏拢效应的改进非线性滞回模型,确定了影响该滞回模型的控制参数,并在Matlab/Simulink里实现对RC桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测。同时,通过对1/3比尺的RC桥墩分别在压弯、扭转和弯剪作用下的往复荷载试验研究,试验得到的力-位移关系滞回曲线与本文提出的改进滞回模型预测结果吻合较好,验证了本文提出改进模型的正确性和有效性。并采用汶川地震波对绵州市回澜立交桥匝道桥的RC桥墩的滞后性能进行了数值模拟,分析结果和桥墩的震害一致,证实了采用本文提出的改进滞回模型可以较准确的预测RC桥墩在强震作用下的非线性滞后性能。在此基础上,运用无迹卡尔曼（UKF）方法对Bouc-Wen模型进行参数估计,模拟结果和误差分析表明,该方法能够精确的估计出改进的Bouc-Wen模型的参数。     

压弯剪扭钢筋混凝土十形柱抗震性能试验研究

为研究压弯剪扭复合受力钢筋混凝土十形柱的抗震性能,以扭弯比、轴压比为变化参数,设计6个钢筋混凝土十形柱试件进行恒定轴力反复弯剪扭的加载试验,观察试件的破坏过程和形态,获取扭矩-扭转角滞回曲线和荷载-位移滞回曲线以及试件的开裂、屈服、峰值和破坏等特征点参数。基于试验数据,详细分析了压弯剪扭复合受力该类柱的极限承载力、位移延性、层间侧移角、能量耗散、强度及刚度退化等抗震性能指标。结果表明:在扭弯比小于0.21且轴压比小于0.34范围时,低周反复压弯剪扭钢筋混凝土十形柱的破坏形态表现为弯扭和扭剪破坏,滞回曲线呈捏拢状的S形,位移延性系数超过3.0,开裂时的侧移角大于1/550,破坏时的侧移角大于1/40,能满足我国建筑抗震设计规范要求;扭矩的存在使得材料的损伤更严重,耗能更大。     

考虑冻融损伤的钢筋混凝土框架节点恢复力模型研究

为了研究冻融环境下钢筋混凝土框架节点的抗震性能,对6个经受不同冻融循环次数作用后的钢筋混凝土框架节点进行低周反复加载试验,分析框架节点的滞回曲线特性。基于试验结果,得到了简化三折线型骨架曲线模型,并给出了相应的确定方法。采用回归分析方法,得到考虑冻融损伤的钢筋混凝土框架节点的极限功比系数I数学表达式,进而确定基于循环耗能的循环退化指数,通过对构件在反复荷载作用下的屈服荷载、硬化刚度、卸载刚度以及承载力等各项力学性能的退化机理进行了描述,进一步建立适应于冻融损伤的钢筋混凝土框架节点的恢复力模型,并给出了具体的滞回曲线规则。研究表明:冻融作用使得节点梁纵筋粘结性能劣化明显,累积耗能随着冻融循环次数的增加而降低;通过考虑刚度、强度的循环退化规律能更好的反应冻融节点“捏缩”效应,更与实际吻合;建议的恢复力模型与试验结果想接近,可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

基于深度学习的RC梁集中塑性铰模型参数研究

集中塑性铰模型常被用于基于构件的结构弹塑性分析,计算精度依赖于模型参数的选取,但经验公式难以表征构件受力特性与模型参数的复杂非线性关系。该研究收集低周往复加载RC梁试验数据。建立构件试验数据库,采用捏拢型(pinch Ibarra-Medina-Krawinkler,Pinch-IMK)本构建立基于深度学习的RC梁构件集中塑性铰模型参数预测模型。基于试验数据对三折线骨架特征点参数、本构滞回参数进行参数辨识,得到182组骨架特征点参数数据和91组滞回参数数据;以构件特征参数为输入,以骨架特征点参数、滞回参数为输出,建立Pinch-IMK集中塑性铰RC梁构件参数深度学习预测模型HDLM。将HDLM预测骨架特征点参数与截面分析及现有经验公式等方法的计算结果作对比,可见HDLM预测结果有更高的精度;将基于HDLM预测参数计算的滞回曲线与基于经验公式的IMK模型计算结果进行对比,可见HDLM预测滞回曲线更为准确,能够较好地表现RC梁的强度退化、刚度退化和捏拢效应。     

Bayesian parameter identification of hysteretic behavior of composite walls

A Bayesian probabilistic approach is applied for parameter identification of a hysteretic model using laboratory test data in this paper. A hysteretic model for multi-grid composite walls is proposed to model the behavior of multi-grid composite wall specimens under lateral cyclic loading. Effects of stiffness degradation, strength degradation and pinching are considered. The test data consists of observed hysteretic curves of precast composite wall specimen, composite wall specimen reinforced by light steel, retrofitted composite wall specimen and cast-in-place composite wall specimen. Using the Bayesian approach, the identification results are presented in terms of the most probable value and posterior covariance matrix of model parameters. The implied hysteretic and backbone curves with their uncertainties identified based on the test data are compared with their observed counterparts.     

Bouc-Wen模型参数识别的非线性自适应遗传算法和试验验证

Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件在往复荷载作用下的刚度退化、强度退化等的一种多功能非线性光滑滞回模型,可广泛应用于各类结构滞回行为的描述。Bouc-Wen模型参数是决定结构构件滞回模型力学特征的关键,由于该模型参数众多且物理意义不明确,往往只能从滞回数据得到近似解。为适应该类模型参数高效识别的需求,该研究提出了一种非线性自适应遗传算法,并通过4片不同配筋和加载条件的RC剪力墙的低周反复加载试验对Bouc-Wen模型参数识别的效果进行了验证。模型参数识别得到的滞回曲线和算法效率与标准遗传算法识别的结果以及实验数据进行了对比,结果表明：所提出的方法显著提升了Bouc-Wen模型的识别精度与效率。该文所提出的方法可用来进行结构滞回模型的识别并用所识别的模型进行结构的非线性行为模拟。     

耗能梁段与带楼板RC框架梁连接节点的滞回性能研究

通过对5个足尺耗能梁段与带楼板RC框架梁连接节点的低周往复加载试验,研究了此类节点的传力机理、破坏模式等,分析了连接节点的滞回性能、承载力、变形及延性、刚度退化及耗能等性能,并通过ABAQUS有限元程序对试验试件的滞回性能进行模拟。研究结果表明:U型外包钢连接节点构造简单、传力可靠。考虑楼板作用可显著提高耗能梁段与RC梁连接节点的承载力及后期变形能力。耗能梁段端板同RC梁顶面之间的分离导致滞回曲线中部捏缩,滞回性能劣化,耗能能力一般。     

酸雨环境下锈蚀RC剪力墙恢复力模型研究

出于酸雨环境下锈蚀RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,该文提出了酸雨环境下RC剪力墙宏观恢复力模型,通过对6榀锈蚀RC剪力墙拟静力试验结果进行回归分析,得到了考虑轴压比与钢筋锈蚀率影响的锈蚀RC剪力墙骨架曲线特征点荷载与位移修正系数计算公式,以循环退化速率来表征构件强度和刚度的退化,确定了基于循环耗能的循环退化指数β_i,并进一步建立了可考虑捏缩效应、屈服强度退化、峰值强度退化、卸载刚度退化及再加载刚度退化的锈蚀RC剪力墙滞回模型。与试验结果对比发现:采用该模拟方法得到的各试件的骨架曲线、滞回曲线以及试件破坏时的累积耗能均与试验结果吻合较好,表明所建立的锈蚀RC剪力墙宏观恢复力模型能较为准确的反应酸雨环境下RC剪力墙结构的力学性能及抗震性能,可为该类结构的抗震性能评估提供理论参考。     

钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟平台

为精细化模拟钢筋混凝土结构的非线性滞回性能,建立了钢筋混凝土纤维梁柱单元的一种实用模拟平台FENAP,开发了相应的具有钢和混凝土多种单轴本构模型的材料库.FENAP平台可考虑构件刚度和强度退化等损伤效应、轴力和弯矩的多维耦合效应以及箍筋对混凝土的约束效应.分别运用FENAP平台和OpenSees软件模拟了圆形钢墩柱和矩...     

冻融循环后一字形短肢剪力墙抗震性能试验研究

为了研究冻融循环作用、混凝土强度和轴压比对一字形短肢剪力墙抗震性能的影响,探讨冻融环境下一字形短肢剪力墙的轴压比限值,设计制作了6个剪跨比为1.14的一字形短肢剪力墙试件并对其进行了200次循环的人工气候冻融试验,进而进行拟静力试验。基于试验描述了各试件的破坏过程与特征,并以抗剪承载力、延性系数、塑性转角、强度衰减、刚度退化和累积滞回耗能等指标为参数,分析了冻融环境下一字形短肢剪力墙抗震性能的衰减规律。试验结果表明:冻融循环作用对一字形短肢剪力墙的抗剪承载力、强度衰减、刚度退化和耗能能力影响较为显著,而对其变形能力影响较小;冻融循环次数不变,增大混凝土强度可有效增强一字形短肢剪力墙构件的抗冻性能,提高其抗震能力;冻融环境下,应严格控制一字形短肢剪力墙构件的轴压比。