CN109933937B - 一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法 - Google Patents

一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法，包括以下步骤：根据荷载位移曲线建立第一条骨架曲线和第二条骨架曲线；确定骨架曲线的初始斜率K1，骨架曲线的峰值荷载Pm，试件的破坏点(Δu，0.85Pm)，并根据破坏点确定损伤直线的斜率K2；确定每一级位移控制下的特征荷载PEi、PRi、PCi；根据损伤计算公式确定损伤值Ddi、DCi和DRi。本发明利用试验加载所得的荷载位移曲线，将承载力作为评估损伤状况的基本因素，以加载初始点为损伤起点，并考虑了在相同位移下，循环加载对试件损伤的影响，对结构地震损伤研究提供新方法、新思路。

Description

一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法
技术领域
本发明属于结构损伤计算领域，尤其涉及一种以加载初始点为损伤起点基于循环损伤值累加的损伤计算技术。
背景技术
由于地震作用将会引起建筑结构的损伤，且其损伤随着循环次数的增加而逐渐累积，故建筑结构经受多次地震损伤后将对其在后续服役期间的承载能力和剩余寿命产生重大影响。并且结构在地震作用下的损伤计算方法是结构抗震设计的理论基础，其内部损伤状况是结构震后加固的重要依据。因此，正确掌握结构在地震作用下损伤水平，以及寻求合理的计算方法定量描述结构构件在地震作用下的损伤程度对于结构抗震设计和震害评估具有重大意义。
目前，损伤计算方法存在以下不足：1)现有的计算方法较为复杂，且损伤起点的定义与实际情况不符合；2)很少研究针对于试件的循环损伤，不足以反映实际地震中的结构破坏与损伤程度。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于循环损伤值累加的损伤方法，该方法能够适用于结构试验损伤程度的研究，
技术方案：一种基于循环损伤值累加的损伤方法，包括如下步骤：
步骤1)建立第一条骨架曲线和第二条骨架曲线；所述的骨架曲线是由荷载位移曲线确定的；采用先荷载控制、后位移控制的加载制度；每级荷载控制下，只加载一次；每级位移控制下，需循环加载三次；根据该加载制度对试件进行加载，得到荷载位移曲线；由于在位移控制阶段，每级位移控制下循环加载三遍，所以在荷载位移曲线中每级位移控制下有三个滞回环；
将荷载控制阶段加载滞回环的最高点与每级位移控制加载中第一个滞回环的最高点的连线确定为第一条骨架曲线，假设其函数表达式为P＝f1(△i)；将荷载控制阶段加载滞回环的最高点与每级位移控制加载中第三个滞回环的最高点的连线确定为第二条骨架曲线，假设其函数表达式为P＝f2(△i)。
步骤2)确定骨架曲线的初始斜率k1、峰值荷载Pm、试件的破坏点(Δu，0.85Pm)以及损伤直线的斜率k2；B点为正向加载的峰值点，对应的荷载为正向的峰值荷载Pm；从B点下降至载荷为0.85Pm时所对应的E点(△u，0.85Pm)为正向加载的破坏点；若试件无损伤，荷载位移曲线将沿加载初始点O点的切线发展，称该直线为无损伤直线；正向加载初始点的切线斜率即骨架曲线的初始斜率为k1，无损伤直线的函数表达式为P＝k1△i；以O点为损伤起点，若对完全破坏的试件进行加载，则试件的荷载位移曲线将沿直线OE发展，称该直线为损伤直线；损伤直线斜率为k2，k2＝0.85Pm/△u，所以损伤直线的函数表达式为P＝k2△i；负向骨架曲线的初始斜率、峰值荷载、破坏点以及损伤直线的斜率与正向的计算方法相同；
步骤3)确定每一级位移控制下的特征荷载PEi、PRi、PCi；PEi为试件无损伤时的承载力与损伤时载荷之差，即PEi＝k1△i－k2△i；PRi为试件加载到第i级位移控制下第三个循环时的承载力与损伤时载荷之差，即PRi＝f2(△i)－k2△i；PCi为循环造成的承载力损失，是第一条骨架曲线与第二条骨架曲线在第j级位移控制下的差值，即PCi＝f1(Δi)-f2(Δi)；负向加载的与正向加载的取值相同。
步骤4)根据损伤计算公式确定损伤值Ddi、DCi和DRi；以O点为损伤起点，E点(△u，0.85Pm)为试件破坏点，定义为损伤终点；直线OE为损伤直线；
采用损伤传递的概念，将“位移增加”造成的损伤和“荷载循环”造成的损伤定量描述，其计算公式如下：
Ddi＝1-DCi-DRi(1)
Figure GDA0003739524150000021
Figure GDA0003739524150000022
式中：Ddi为第i级位移控制由于“位移增加”造成的损伤，简称位移损伤；DCi为第i级位移控制循环及之前位移控制阶段由于“荷载循环”造成的损伤，简称循环损伤；DRi为第i级位移控制下承载力的剩余率，简称剩余率；三者相加等于1。
则第i级位移控制的损伤值如下：
Figure GDA0003739524150000023
Figure GDA0003739524150000024
Figure GDA0003739524150000025
示例：在第1级位移控制时，其位移为△1，位移损伤为
Figure GDA0003739524150000031
循环损伤为
Figure GDA0003739524150000032
剩余率为
Figure GDA0003739524150000033
在第2级位移控制时，其位移为△2，位移损伤为
Figure GDA0003739524150000034
循环损伤为
Figure GDA0003739524150000035
剩余率为
Figure GDA0003739524150000036
依次类推……
负向加载的计算方法亦相同。
有益效果：
1.本发明基于两条骨架曲线，以加载初始点为损伤起点，新提出的损伤直线使得破坏点的损伤总值为1，符合实际情况，可以计算整个加载过程的损伤状况。
2.本发明提出的方法可以考虑循环损伤，并且将循环损伤值进行累加，为结构损伤试验研究提供了一种新方法，更适用于循环损伤对结构损伤影响较大的工况。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明加载制度；
图3为本发明荷载位移曲线示意图；
图4为本发明骨架曲线示意图；
图5为本发明特征点与特征斜率示意图；
图6为本发明损伤计算方法示意图。
具体实施方式
一种以加载初始点为损伤起点基于循环损伤值累加的损伤计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立第一条骨架曲线和第二条骨架曲线；所述的骨架曲线是由荷载位移曲线确定的；在抗震试验研究中，可采用先荷载控制、后位移控制的加载制度，加载制度如图2所示。荷载控制加载制度如图2中(a)所示，每级荷载控制下，只加载一次；位移控制加载制度如图2中(b)所示，每级位移控制下，需循环加载三次。根据该加载制度对试件进行加载，可得到如图3所示荷载位移曲线。由于在位移控制阶段，每级位移控制下循环加载三遍，所以在荷载位移曲线中每级位移控制下有三个滞回环(曲线环)。图中，P为荷载，△为位移；△i为第i级位移控制的正向最大位移；
Figure GDA0003739524150000041
为第i级位移控制下的负向绝对值最大的位移。图3中，
Figure GDA0003739524150000042
阶段为荷载控制阶段，荷载位移滞回环较小；在荷载控制阶段以后，为位移控制阶段。
如图4所示，将荷载控制阶段加载滞回环的最高点与每级位移控制加载中第一个滞回环的最高点的连线确定为第一条骨架曲线，假设其函数表达式为P＝f1(△i)；将荷载控制阶段加载滞回环的最高点与每级位移控制加载中第三个滞回环的最高点的连线确定为第二条骨架曲线，假设其函数表达式为P＝f2(△i)。
步骤2，确定骨架曲线的初始斜率k1、峰值荷载Pm、试件的破坏点(Δu，0.85Pm)以及损伤直线的斜率k2。如图5所示，B点为正向加载的峰值点，对应的荷载为正向的峰值荷载Pm；E点(△u，0.85Pm)为正向加载的破坏点；若试件无损伤，荷载位移曲线将沿加载初始点(O点)的切线发展，称该直线为无损伤直线(或线弹性直线)；假设正向加载初始点的切线斜率即骨架曲线的初始斜率为k1，k1可由METLAB软件计算可得，所以该直线的函数表达式为P＝k1△i；若对完全破坏(损伤值为1)的试件进行加载，则试件的荷载位移曲线将沿直线OE发展，称该直线为损伤直线。假设损伤直线斜率为k2，k2＝0.85Pm/△u，所以损伤直线的函数表达式为P＝k2△i；负向骨架曲线的初始斜率、峰值荷载、破坏点以及损伤直线的斜率与正向的计算方法相同。
步骤3，确定每一级位移控制下的特征荷载PEi、PRi、PCi；取图5中正向加载的骨架曲线简化如图6所示。PEi为试件无损伤时的承载力与试件损伤时载荷之差，即PEi＝k1△i－k2△i；PRi为试件加载到第i级位移控制下第三个循环时的承载力与试件损伤时载荷之差，即PRi＝f2(△i)－k2△i；PCi为循环造成的承载力损失，是第一条骨架曲线与第二条骨架曲线在第i级位移控制下的差值，即PCj＝f1(Δi)-f2(Δi)；负向加载的与正向加载的取值相同。
步骤4，根据损伤计算公式确定损伤值Ddi、DCi和DRi。O点为损伤起点，E点(△u，0.85Pm)为试件破坏点，定义为损伤终点。直线OA为无损伤直线(或线弹性直线)；直线OE为损伤直线；曲线OBC称为第一条骨架曲线；曲线ODE称为第二条骨架曲线；
该方法采用损伤传递的概念，将“位移增加”造成的损伤和“荷载循环”造成的损伤定量描述，其计算公式如下：
Ddi＝1-DCi-DRi(1)
Figure GDA0003739524150000051
Figure GDA0003739524150000052
式中：Ddi为第i级位移控制由于“位移增加”造成的损伤，简称位移损伤；DCi为第i级位移控制循环及之前位移控制阶段由于“荷载循环”造成的损伤，简称循环损伤；DRi为第i级位移控制下承载力的剩余率，简称剩余率；三者相加等于1。
则第i级位移控制的损伤值如下：
Figure GDA0003739524150000053
Figure GDA0003739524150000054
Figure GDA0003739524150000055
示例：在第1级位移控制时，其位移为△1，位移损伤为
Figure GDA0003739524150000056
循环损伤为
Figure GDA0003739524150000057
剩余率为
Figure GDA0003739524150000058
在第2级位移控制时，其位移为△2，位移损伤为
Figure GDA0003739524150000059
循环损伤为
Figure GDA00037395241500000510
剩余率为
Figure GDA00037395241500000511
依次类推……负向加载的计算方法亦相同。

Claims (3)

1.一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)对试件进行加载，根据载荷位移曲线建立第一条骨架曲线和第二条骨架曲线；所述的骨架曲线是由荷载位移曲线确定的；采用先荷载控制、后位移控制的加载制度；每级荷载控制下，只加载一次；每级位移控制下，需循环加载三次；根据该加载制度对试件进行加载，得到荷载位移曲线；由于在位移控制阶段，每级位移控制下循环加载三遍，所以在荷载位移曲线中每级位移控制下有三个滞回环；
将荷载控制阶段加载滞回环的最高点与每级位移控制加载中第一个滞回环的最高点的连线确定为第一条骨架曲线，其函数表达式为P＝f1(△i)；将荷载控制阶段加载滞回环的最高点与每级位移控制加载中第三个滞回环的最高点的连线确定为第二条骨架曲线，其函数表达式为P＝f2(△i)；
步骤2)确定无损伤直线的斜率k1、峰值荷载Pm、试件的破坏点以及损伤直线的斜率k2；正向加载的峰值点对应的荷载为正向的峰值荷载Pm；从正向加载峰值点下降至载荷为0.85Pm时所对应的E点(△u，0.85Pm)为正向加载的破坏点；若试件无损伤，荷载位移曲线将沿加载初始点O点的切线发展，称该直线为无损伤直线；正向加载初始点的切线斜率即骨架曲线的初始斜率为k1，无损伤直线的函数表达式为P＝k1△i；以O点为损伤起点，若对完全破坏的试件进行加载，则试件的荷载位移曲线将沿直线OE发展，称该直线为损伤直线；损伤直线斜率为k2，k2＝0.85Pm/△u，所以损伤直线的函数表达式为P＝k2△i；负向骨架曲线的初始斜率、峰值荷载、破坏点以及损伤直线的斜率与正向的计算方法相同；
步骤3)确定每一级位移控制下的特征荷载：试件无损伤时的承载力与损伤时载荷之差PEi、试件加载到第i级位移控制下第三个循环时的承载力与损伤时载荷之差PRi、循环造成的承载力损失PCi；
步骤4)采用损伤传递的概念，将“位移增加”造成的损伤和“荷载循环”造成的损伤定量描述，其计算公式如下：
Ddi＝1-DCi-DRi (1)
Figure FDA0003739524140000011
Figure FDA0003739524140000012
式中：Ddi为第i级位移控制由于“位移增加”造成的损伤，简称位移损伤；DCi为第i级位移控制循环及之前位移控制阶段由于“荷载循环”造成的损伤，简称循环损伤；DRi为第i级位移控制下承载力的剩余率，简称剩余率；三者相加等于1。
2.根据权利要求1所述的一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法，其特征在于：所述步骤3)PEi为试件无损伤时的承载力与损伤时载荷之差，即PEi＝k1△i－k2△i；PRi为试件加载到第i级位移控制下第三个循环时的承载力与损伤时载荷之差，即PRi＝f2(△i)－k2△i；PCi为循环造成的承载力损失，是第一条骨架曲线与第二条骨架曲线在第i级位移控制下的差值，即PCi＝f1(Δi)-f2(Δi)；负向加载的与正向加载的取值相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于循环损伤值累加的损伤计算方法，其特征在于：所述步骤4)第i级位移控制的损伤值如下：
Figure FDA0003739524140000021
Figure FDA0003739524140000022
Figure FDA0003739524140000023
在第1级位移控制时，其位移为△1，位移损伤为
Figure FDA0003739524140000024
循环损伤为
Figure FDA0003739524140000025
剩余率为
Figure FDA0003739524140000026
在第2级位移控制时，其位移为△2，位移损伤为
Figure FDA0003739524140000027
循环损伤为
Figure FDA0003739524140000028
剩余率为
Figure FDA0003739524140000029
依次类推……
负向加载的计算方法亦相同。
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