钢筋混凝土及钢管混凝土材料阻尼研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 阻尼的定义及理论
• 1.1.1 阻尼的定义
• 1.1.2 阻尼的机理及数学模型
• 1.2 对已有工程结构阻尼取值的认识
• 1.3 工程材料阻尼研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 混凝土及钢筋混凝土材料耗能计算及单位体积耗能公式的建立
• 2.1 概述
• 2.2 加载速率对构件力—位移曲线或应力—应变曲线的影响
• 2.3 实际结构地震反应分析中材料弹性模量和强度的取值
• 2.4 素混凝土轴压构件材料耗能计算及单位体积耗能公式建立
• 2.4.1 混凝土轴压构件材料耗能计算
• 2.4.2 混凝土轴心受压构件材料单位体积耗能公式建立
• 2.5 钢筋混凝土轴压构件耗能计算及材料单位体积耗能公式建立
• 2.5.1 钢筋混凝土轴压构件材料耗能计算
• 2.5.2 钢筋混凝土轴心受压构件材料单位体积耗能公式建立
• 2.6 钢筋混凝土压弯构件耗能计算及材料单位体积耗能公式建立
• 2.6.1 材料的本构关系模型
• 2.6.2 箍筋的约束作用及处理
• 2.6.3 钢筋混凝土压弯构件材料耗能计算
• 2.6.4 钢筋混凝土压弯构件材料单位体积耗能公式建
• 2.7 小结
• 第三章 钢管混凝土材料耗能计算与单位体积耗能公式建立
• 3.1 概述
• 3.2 材料本构关系模型的选取
• 3.2.1 钢材应力-应变关系模型
• 3.2.2 混凝土材料应力-应变关系模型
• 3.3 钢管混凝土轴压构件材料耗能计算与单位体积耗能公式建立
• 3.3.1 钢管混凝土轴压构件耗能计算
• 3.3.2 钢管混凝土轴压构件材料单位体积耗能公式建立
• 3.4 钢管混凝土压弯构件耗能计算及单位体积耗能公式建立
• 3.4.1 钢管混凝土压弯构件耗能计算
• 3.4.2 钢管混凝土压弯构件材料单位体积耗能公式建立
• 3.5 钢、钢筋混凝土及钢管混凝土材料单位体积耗能比较
• 3.6 小结
• 第四章 钢、钢筋砼及钢管砼构件材料阻尼解析法计算及影响因素分析
• 4.1 引言
• 4.2 采用的研究理论及方法
• 4.3 钢、钢筋混凝土及钢管混凝土构件材料阻尼计算
• 4.3.1 钢梁材料阻尼
• 4.3.2 钢筋混凝土梁材料阻尼
• 4.3.3 钢管混凝土拱材料阻尼
• 4.4 不同因素对材料阻尼值的影响
• 4.4.1 钢梁
• 4.4.2 钢筋混凝土梁
• 4.4.3 钢管混凝土拱
• 4.5 小结
• 第五章 复阻尼系统构件和结构材料阻尼及动力响应有限元法计算
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.3 钢、钢筋混凝土梁及钢管混凝土拱材料阻尼值及动力响应计算
• 5.3.1 钢悬臂梁材料阻尼值及动力响应
• 5.3.2 钢筋混凝土悬臂梁材料阻尼值及动力响应
• 5.3.3 钢管混凝土拱材料阻尼值
• 5.4 钢及钢筋混凝土框架结构材料阻尼值及动力响应计算
• 5.4.1 钢框架材料阻尼及动力响应
• 5.4.2 钢筋混凝土框架材料阻尼及动力响应
• 5.5 钢管混凝土柱—钢梁组合框架结构材料阻尼及动力响应计算
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 附录A 阻尼变化对钢管混凝土拱桥动力响应的影响
• 附录B 结构阻尼研究现状及存在问题
• 参考文献
• 后记
• 攻读博士学位期间发表的论文