钢筋混凝土柱的非对称恢复力模型与参数识别

强震作用下钢筋混凝土柱往往表现出明显的强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称性等滞回特性,而传统的恢复力模型难以合理描述上述滞回特性。该文基于Bouc-Wen-Baber-Noori（BWBN）模型,通过在滞回位移与相对侧向位移的微分函数关系中引入描述非对称滞回性质的形状控制参数,建立了一种能够有效考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称滞回特性的改进BWBN模型,进而结合微分进化算法提出了非对称BWBN模型参数的识别技术,并利用钢筋混凝土柱的拟静力往复加载试验数据,对比验证了该模型的有效性。     

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。     

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。     

钢管混凝土框架-RC剪力墙混合结构滞回性能分析

为了研究带钢管混凝土边柱钢筋混凝土(RC)剪力墙的抗震性能,在其他研究者完成的带钢管混凝土边柱RC剪力墙和普通钢筋混凝土剪力墙滞回性能试验结果的基础上,采用开源非线性分析程序OpenSees平台中的非线性纤维模型对其进行了低周往复试验的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力的方法来模拟纤维截面的抗剪。计算结果与实测结果总体吻合较好,研究表明：这种考虑剪切效应的纤维模型法能够较好的模拟该类组合剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应以及刚度退化,而且运算效率较高。     

基于改进Ibarra-Medina-Krawinkler材料模型的RC圆柱恢复力模型参数识别

该文基于美国太平洋地震工程研究中心结构性能数据库中的76根弯曲破坏及弯剪破坏的钢筋混凝土(Reinforced concrete, RC)圆柱试验数据,以峰值指向型改进Ibarra-Medina-Krawinkler (I-M-K)材料模型作为恢复力模型,采用OpenSEES有限元平台对所选择的RC圆柱试验数据进行数值模拟,识别得到了每一RC圆柱的恢复力模型参数。选取RC圆柱的15个基本设计参数为基本变量,采用多元线性回归和分步拟合,获得了RC圆柱恢复力模型参数的经验预测公式(值)。通过对试验验证组中3根RC圆柱的滞回试验数据进行模拟,对该文提出的RC圆柱恢复力模型参数的经验预测公式(值)的合理性进行了验证。结果表明:该文获得的经验预测公式(值)可以较为准确地预测RC圆柱的恢复力模型参数,可以较合理地反映RC圆柱在循环加载过程中的强度及刚度的退化特征。     

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。     

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。     

压弯剪扭实腹型钢混凝土柱抗震性能试验研究

为研究型钢混凝土(SRC)柱在压弯剪扭复合受力状态下的抗震性能,以截面尺寸、型钢含钢率、纵筋配筋率、体积配箍率和栓钉位置为变化参数,完成了12根型钢混凝土柱和1根钢筋混凝土(RC)对比柱的压弯剪扭低周反复试验。观察了试件在复合受扭状态下的破坏形态,对比分析了各试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能及延性性能。结果表明：在压弯剪扭受力状态下,所有试件均发生弯扭破坏;荷载-柱顶位移滞回曲线呈饱满的梭形,扭矩-扭转角曲线为捏拢的“S”形;增大截面尺寸和配筋率可有效提高SRC柱的抗扭和抗弯承载力;峰值荷载前,抗扭刚度的退化速率明显快于抗弯刚度的退化速率,增大型钢含钢率和配筋率可延缓SRC柱的刚度退化;SRC柱的抗弯耗能能力优于抗扭耗能能力,扭转延性大于弯曲延性;与方形截面相比,矩形截面具有更好的扭转变形能力;在工字钢翼缘上焊接栓钉可有效提高SRC柱的抗震性能;根据现行规范和试验数据,提出SRC柱构造设计的相关建议和扭转耗能退化的经验公式。     

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。     

考虑非线性剪切效应的RC桥墩抗震分析模型

剪跨比较小或配箍不足的钢筋混凝土桥墩易发生剪切破坏,而现有的纤维单元模型忽略了剪切变形,不能合理评估弯剪或剪切破坏桥墩的抗震能力。为有效模拟剪切作用影响下钢筋混凝土桥墩的抗震性能,以36个剪切及弯剪破坏圆形截面钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,建立了墩柱剪切破坏时墩底转角的计算公式。利用OpenSees分析平台,建立了基于非线性纤维梁柱单元和零长度剪切弹簧单元的数值分析模型,以此来考虑弯曲和剪切效应的耦合作用。以数值模型中墩底转角来监测试件剪切破坏的发生,剪切破坏发生前模型以纤维梁柱单元模拟的弯曲变形为主;此后,桥墩地震反应以剪切弹簧单元控制,以模拟试件由于剪切破坏导致的强度和刚度退化等行为。通过对12个剪切及弯剪破坏圆形截面桥墩抗震拟静力试验的模拟结果表明,模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好,并且能很好地模拟钢筋混凝土结构由于剪切作用引起的刚度与强度的退化现象,验证了模型的合理性。     

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。     

吊顶主次龙骨节点受剪和受弯性能试验研究

近年发生的地震中吊顶的震害显著,主次龙骨节点失效是吊顶破坏的主要原因之一。为评估吊顶主次龙骨节点的受剪和受弯性能,对其开展单调加载和低周往复加载试验,考察了节点的破坏模式、承载力、变形能力、滞回性能和耗能能力,建立了节点的易损性曲线。研究结果表明：主次龙骨节点主轴受剪和次轴受剪的破坏模式分别为节点剪切破坏和节点面外弯曲并脱出,主次龙骨节点受弯的破坏模式是节点脆性脱出破坏。对比节点主轴受剪,节点次轴受剪时强度更低,但节点变形能力更强。对比节点主轴受弯,节点次轴受弯时强度更高,但节点转动能力稍低。主次龙骨节点受剪和受弯时的荷载-位移滞回曲线捏拢效应显著,耗能能力不强。易损性分析表明,主次龙骨节点次轴受剪和主轴受弯时更容易破坏。     

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。     

基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析

为更深入研究型钢混凝土剪力墙的抗震性能,在已有该类剪力墙滞回性能试验结果基础上,采用OpenSees软件中非线性纤维梁-柱单元进行低周往复加载的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力方法模拟纤维截面的抗剪。计算结果与试验结果总体吻合较好,表明该纤维模型法能较好模拟型钢混凝土剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应及刚度退化。该方法可为此类结构体系的弹塑性分析提供参考。     

考虑损伤效应的弯曲破坏型腐蚀RC柱恢复力模型

出于氯盐腐蚀钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构弹塑性分析的需要,对6根RC框架柱试件进行加速腐蚀试验,而后进行拟静力试验,观察人工气候环境下锈蚀钢筋的表观损伤,并分析不同腐蚀程度和轴压比对RC框架柱破坏形态和抗震性能的影响。在此基础上,引入双参数损伤模型,确定模型参数取值,进而定量化揭示腐蚀RC框架柱损伤发展规律。此外,通过理论分析与试验回归相结合的方法,建立考虑腐蚀与轴压比影响的RC框架柱骨架曲线模型。引入基于损伤的循环退化指数,提出能够反映加载、卸载、再加载、下降四阶段性能退化的滞回规则,进而建立弯曲破坏型腐蚀RC框架柱恢复力模型,并验证其有效性。结果表明,骨架曲线计算值与试验值误差总体在10%以内,累积耗能计算值与试验值误差总体不超过20%;由于计算再加载曲线线性特征,再加载阶段与试验结果存在一定误差,但滞回曲线整体上吻合较好、误差较小,说明建立的恢复力模型能够较为准确地反映弯曲破坏型腐蚀RC框架柱抗震性能。     

复合受扭实腹式型钢混凝土柱恢复力模型研究EI北大核心CSCD

为研究复合受扭作用下实腹式型钢混凝土柱的恢复力模型,考虑扭弯比、轴压比和剪跨比的影响,完成了9个实腹式型钢混凝土柱的拟静力加载试验,获取了扭矩-扭转角骨架曲线和滞回曲线,分析了扭弯比、轴压比和剪跨比等试验变化参数对其扭转滞回性能的影响。基于试验扭转骨架曲线和滞回曲线,提出以屈服点、峰值点和破坏点为特征点的三折线骨架曲线模型,同时对滞回规则进行简化,建立实腹式型钢混凝土柱复合受扭恢复力模型。结果表明:随着扭弯比的增大,试件破坏形态由弯曲破坏为主转为扭转破坏为主;扭弯比对实腹式型钢混凝土柱的抗扭承载力影响最大;在扭转骨架曲线特征参数计算时考虑了扭弯比、轴压比和剪跨比的影响,计算结果与实测结果吻合较好。提出的考虑卸载刚度退化影响的扭转恢复力模型,能较好地预测复合受扭作用下实腹式型钢混凝土柱的扭转滞回曲线,可为此类结构在压弯剪复合受扭作用下的弹塑性地震分析提供参考。     

非弹性体系地震动力响应分析的新型单轴Bouc-Wen模型

对经典的单轴Bouc-Wen模型进行改进,研究建立了可以综合考虑P-效应、捏拢效应、强度退化、刚度退化、应变硬化等典型滞回特性的新型单轴Bouc-Wen模型。根据非弹性单自由度体系在69条强震记录作用下的动力响应,定量地分析了P-效应对地震延性需求的均值和变异系数的影响,进而建立了地震延性需求的经验概率分布模型和预测方程。计算结果显示:由重力引起的P-效应对地震延性需求的影响较大,而由竖向地震激励引起的P-效应的影响很小;地震延性需求与震级、震中矩、剪切波速等参数之间的线性相关性较小;对于短周期体系,可以采用Lognormal或Frechet分布来描述地震延性需求的概率分布,而对于长周期体系,采用Frechet分布则更为合理。     

冷弯薄壁型钢组合墙体非线性滑移滞回模型研究

为了研究冷弯薄壁型钢组合墙体的滞回性能,对4 片3m×2.4m(高×宽)不同构造的冷弯薄壁型钢组合墙体足尺试件进行了拟静力试验。根据试验所得的滞回规律,采用Richard-Abbott 曲线,建立了能反映其滞回曲线非线性、滑移捏缩、强度和刚度退化特征的三段式非线性滑移滞回模型,并在Origin8.0软件里辨识了各试件模型中的待定参数。研究结果表明:影响滞回曲线的主要因素为墙体先前经历的最大位移;典型捏缩滞回环的上升或下降段曲线可分为刚度单调变化的三段;用参数辨识结果得到的仿真滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好,三段式非线性滑移滞回模型能较全面地反映冷弯薄壁型钢结构组合墙体的滞回特征、模型表达式直观、各参数物理意义明确且易于识别。     

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。     

纤维增强混凝土柱抗震性能试验研究及数值模拟

为了改善钢筋混凝土（RC）柱的抗震性能和损伤容限,在柱端局部采用纤维增强混凝土（FRC）代替普通混凝土,考虑轴压比和剪跨比,设计了9根FRC柱以及1根RC对比柱试件。通过拟静力试验,观察试件在低周反复水平荷载作用下的裂缝开展过程和破坏形态,研究其滞回性能、变形和承载能力、耗能能力及刚度退化规律等。结果表明,与RC柱相比,剪跨比为2.0的FRC柱仍为压弯破坏,强度和刚度退化缓慢,具有较好的变形能力、耗能能力和损伤容限;轴压比及剪跨比对FRC柱的变形能力和耗能能力有明显影响;FRC柱仅需配置抗剪箍筋,不必另外配置约束箍筋,即可满足变形和耗能要求。基于OpenSees有限元软件,建立了多组FRC柱的有限元模型,在对有限元模型进行试验验证的基础上,进行参数分析。研究结果表明:模拟滞回曲线与试验滞回曲线总体上比较吻合;剪跨比、轴压比及FRC强度对FRC柱的承载能力均有一定影响。