16mn無(wú)縫管混凝土柱在地震作用下的累積損傷性能研究
抗震設(shè)防目標(biāo)之一就是確保結(jié)構(gòu)在地震作用下不會(huì)倒塌,盡量減少人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。地震時(shí),結(jié)構(gòu)受到低周往復(fù)荷載的作用,使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性鉸區(qū)域產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。當(dāng)?shù)卣鹆叶冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度時(shí),結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生首次超越破壞;大部分結(jié)構(gòu)從產(chǎn)生微小的局部破裂到全部倒塌都需要一個(gè)過(guò)程,在彈塑性變形下結(jié)構(gòu)往復(fù)循環(huán)幾次乃至十幾次才會(huì)倒塌,也就是發(fā)生累積損傷破壞。因此,需要考察地震后結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的累積損傷程度,判斷是否能夠繼續(xù)使用或者是修復(fù)后可以繼續(xù)使用這些結(jié)構(gòu),還是需要推倒重建。這項(xiàng)工作對(duì)于保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全,減少地震損失具有重要的意義。 16mn無(wú)縫管混凝土作為組合結(jié)構(gòu)的一種組合設(shè)計(jì)形式,具有良好的力學(xué)性能和抗震性能,在地震區(qū)建筑中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)16mn無(wú)縫管混凝土抗震性能的研究一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),許多研究者通過(guò)抗震試驗(yàn)對(duì)16mn無(wú)縫管混凝土的抗震性能進(jìn)行了探討。但是大部分研究者的側(cè)重點(diǎn)都是放在16mn無(wú)縫管混凝土的承載力、滯回性能以及建立滯回模型的研究上,很少考慮低周往復(fù)荷載下16mn無(wú)縫管混凝土的疲勞損傷,以及由于疲勞損傷的累積而導(dǎo)致的16mn無(wú)縫管混凝土的累積損傷破壞。本文針對(duì)16mn無(wú)縫管混凝土壓彎構(gòu)件在低周往復(fù)荷載下的力學(xué)性能和疲勞累積損傷問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析。 試驗(yàn)結(jié)果表明16mn無(wú)縫管混凝土具有良好的抗震滯回性能和耗能能力,即使16mn無(wú)縫管混凝土產(chǎn)生了較大的變形也不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的承載力退化現(xiàn)象。16mn無(wú)縫管混凝土柱滯回曲線的荷載和剛度退化隨著側(cè)移率的增大而加快,說(shuō)明在較大的變形條件下,往復(fù)變形一次對(duì)16mn無(wú)縫管混凝土造成的損傷也大;隨著側(cè)移率的減小,16mn無(wú)縫管混凝土的滯回耗能能力明顯增強(qiáng)。應(yīng)變分析也表明,16mn無(wú)縫管混凝土柱塑性鉸區(qū)的16mn無(wú)縫管在屈服后隨著側(cè)移率的增大應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速;而在等幅循環(huán)荷載的作用下,16mn無(wú)縫管的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢,但永久塑性變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加在不斷增長(zhǎng)。試驗(yàn)研究表明,承受低周往復(fù)荷載作用的16mn無(wú)縫管混凝土柱在破壞時(shí)16mn無(wú)縫管斷裂處的應(yīng)變并沒(méi)有達(dá)到單調(diào)拉伸時(shí)的極限應(yīng)變,16mn無(wú)縫管是在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生了疲勞損傷,當(dāng)16mn無(wú)縫管的損傷累積到一定程度時(shí),最終發(fā)生疲勞斷裂。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,本文建立了反映16mn無(wú)縫管混凝土柱低周疲勞壽命的改進(jìn)Manson-Coffin關(guān)系模型,得出了16mn無(wú)縫管混凝土柱變形和疲勞壽命的關(guān)系曲線;與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,理論曲線能夠比較合理地反映這幾類(lèi)16mn無(wú)縫管混凝土柱在不同變形條件下的疲勞壽命。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了基于循環(huán)耗能的低周疲勞模型;與試驗(yàn)得出的耗能能力系數(shù)相比,耗能能力曲線能夠較準(zhǔn)確的反映16mn無(wú)縫管混凝土在低周往復(fù)荷載作用下,由于疲勞損傷的累積而導(dǎo)致的力學(xué)性能的退化。綜合Miner的線性累積損傷理論和16mn無(wú)縫管混凝土柱的循環(huán)耗能規(guī)律,建立了16mn無(wú)縫管混凝土柱的基于耗能的改進(jìn)線性累積損傷模型;與Miner模型的評(píng)估結(jié)果相比,基于每次循環(huán)耗能所得出的16mn無(wú)縫管混凝土柱的累積損傷指數(shù)具有更高的精度,特別是對(duì)于承受變幅位移的16mn無(wú)縫管混凝土柱來(lái)說(shuō),由模型可以得到等合理地?fù)p傷指數(shù),說(shuō)明這種累積損傷模型能夠用于地震作用后的16mn無(wú)縫管混凝土的累積損傷評(píng)估。 基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的基本理論和16mn無(wú)縫管混凝土的彈塑性分析,建立了16mn無(wú)縫管混凝土構(gòu)件在單調(diào)荷載和低周往復(fù)荷載下的簡(jiǎn)化損傷梁?jiǎn)卧Ｐ汀?6mn無(wú)縫管混凝土構(gòu)件被簡(jiǎn)化成由中間的彈性梁和兩端的集中耗能鉸構(gòu)成的模型,引入損傷參數(shù),分別描述16mn無(wú)縫管混凝土兩端耗能鉸的損傷和軸向損傷過(guò)程,推導(dǎo)了考慮損傷參數(shù)的16mn無(wú)縫管混凝土構(gòu)件的柔度矩陣和應(yīng)變余能方程,給出了16mn無(wú)縫管混凝土損傷構(gòu)件在單調(diào)荷載和低周往復(fù)荷載下的損傷演化過(guò)程。該損傷模型形式簡(jiǎn)單,具有明確的物理和力學(xué)意義,比較適合用于地震作用下的16mn無(wú)縫管混凝土柱的損傷分析。
