钢筋混凝土结构在强震下必将进入滞变状态,由于滞变非线性影响,结构的位移响应随机过程是非高斯型的。因此,仅由随机振动理论求得的响应过程前二阶矩数字特征,还无法确定整个响应过程的完整概率分布。由于响应信息的非完备性,难以对结构抗震可靠性作出准确评估。因此,如何进行RC滞变结构在响应信息非完备条件下的动力可靠度分析,是苛待解决的重要课题。地震对结构的作用过程实际上是能量的输入、转化与耗散过程。从振动的角度和从能量的角度观测结构的响应,是同一个过程的两个不同方面,因此结构位移响应与能量响应必然存在某种确定性联系。而这种内在联系则可以相互补充各自响应信息的缺失,为结构抗震动力可靠度计算提供足够概率信息。本项目通过揭示RC滞变结构位移响应过程与能量响应过程的内在联系,为能量信息与位移信息的相互转化识别提供客观有效的途径,进而对结构抗震可靠性作出准确评估。
RC structural component;hysteretic nonlinearity;frequency decay;energy response;dynamic reliability
由于在低周反复荷载作用下RC结构所呈现出的滞变非线性以及当前结构动力可靠性理论本身的不完善,使得结构抗震可靠性评估往往面临着非完备响应信息下的动力可靠度分析问题。本项目基于试验与理论分析,对该问题展开了系统研究,取得了如下主要成果(1)在充分查阅国内外相关文献的基础上,较系统全面地掌握了结构动力可靠性理论研究现状与动态,进一步明确了本项目的研究方向,为后续工作开展奠定了良好基础。(2)开展了低周反复荷载作用下RC构件损伤过程固有频率衰变规律试验研究。基于傅立叶级数/变换理论,将试验加载方案设计为施加简谐振动(位移控制);推导了构件加载损伤过程中其瞬时频率与瞬时荷载及瞬时位移的函数关系;对构件固有频率ω与加载周次N、振幅A、周期T的试验数据进行拟合分析,得到了固有频率ω与N、A、T的函数关系ω(N,A,T),该式给出了构件在任意简谐振动下的频率衰变规律,即若构件振动的周期T和振幅A是确定的,则其固有频率衰变过程ω(N)即可确定。(3)进行了地震激励下RC 滞变非线性体系的能量响应过程及能量分配比例分析。首先建立地震能量转化(平衡)方程,然后基于动态时程分析法进行位移、速度、加速度响应求解,将求得结果代入能量转化方程积分求得各能量响应(动能、滞回耗能、阻尼耗能);并计算分析了各项能量响应时程在总输入能中所占比例的变化时程情况。通过MATLAB编制了基于双线性滞回模型的单自由度非线性体系地震能量响应分析程序。(4)研究了地震激励下RC 滞变结构能量响应过程与位移响应过程的关系。通过滞变恢复力建立了结构位移过程与结构能量过程的相互关系。分析表明能量响应中的弹性变形能仍为随机过程,而动能和累积滞变耗能则退化为随机变量。(5)进行了基于能量与变形双重破坏准则的RC 滞变结构动力可靠度计算。首先推导了构件损伤程度与其固有频率、极限承载力之间的定量关系,然后基于此分析了试验构件损伤情况,通过损伤数据分析验证了耦合滞变能耗与塑性位移的双参数损伤模型的合理性;最后基于该损伤模型进行了结构低周疲劳可靠度分析。本项目研究成果可为今后的RC构件低周疲劳损伤研究、结构动力可靠性理论研究及结构抗震可靠性评估提供重要数据和科学方法。