钢管混凝土应力相关非线性材料阻尼研究

钢管混凝土具有强度高、抗震性能好等优点，在桥梁、高层建筑中得到广泛应用。目前，由于机理复杂、理论与试验研究困难，对于钢管混凝土阻尼国内外尚无专门研究。在工程抗震分析中，钢管混凝土阻尼比一般取为常数，这将使结构动力分析结果的可靠性受到很大影响。.本项目将针对钢管混凝土的阻尼特性进行研究，首先采用试验方法测定钢管混凝土材料的线性粘滞阻尼和非线性应力相关阻尼。并基于申请者前期建立的应力相关阻尼理论分析方法，给出钢管混凝土材料的线性和非线性阻尼计算公式。通过试验和理论分析，预测钢管混凝土构件损耗因子，并分析相关因素的影响。考虑阻尼非线性对结构动力响应的影响，建立一套完整的应力相关阻尼系统动力响应分析方法，并对钢管混凝土结构地震响应进行分析。该项研究有助于非线性阻尼理论和钢管混凝土结构抗震分析理论的发展及其工程应用，具有很大的挑战性和原始创新性。

本课题在总结和归纳阻尼已有研究的基础上，开展了素混凝土在强迫振动下的轴向滞回试验研究，通过试验获得了应力幅值、加载频率、应力水平与混凝土材料能量损耗及损耗因子的关系，同时给出了建议公式。试验结构表明：混凝土材料的耗能特性与振动的幅值有着明显的正相关性。利用OpenSEES平台，采用双线性钢材本构关系模型、约束混凝土本构模型及混凝土加卸载准则，计算了钢管混凝土轴压构件及压弯构件弹性阶段的单位体积损耗能量，给出了钢管混凝土的应力相关材料阻尼的计算公式，并针对参数敏感性进行了分析。采用解析迭代的方法，给出了钢管混凝土结构应力相关阻尼的求解方法，并对简谐荷载下的混凝土梁和钢管混凝土梁进行了应力相关阻尼比求解。分别采用粘滞阻尼和应力相关阻尼模型对两座钢管混凝土拱桥进行了地震响应分析，计算结果表明采用应力相关阻尼模型计算的地震响应要大于采用粘滞阻尼比为0.05的地震响应。制作了钢管混凝土构件，利用自由衰减的方法进行了考虑徐变因素影响下的阻尼比测试，同时基于复频率等效的方法求解了丫髻沙大桥的模态阻尼比。结合试验和计算的结果，给出了钢管混凝土阻尼比的建议值为0.02-0.03。