滞回恢复力模型中求折点的一种方法_肖明葵
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文章编号:1000-582X(2002)01-0013-04滞回恢复力模型中求折点的一种方法 肖明葵,刘 纲,白绍良(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)
摘 要:对于在循环往复荷载作用下,结构具有滞回特性的力与变形关系曲线的简化折线型恢复力模型提出了一种求刚度突变点,即折点的处理方法。推导出应用Wilson-θ法及Newmark-β法求解结构动力反应时折线型恢复力模型中的加载点和卸载点这两类折点的计算公式。该公式以结构动力方程为基础,计算折点时刻仅涉及结构在t时刻的动力特性、位移、速度及加速度反应,折点处结构位移值等已知量,计算中避免迭代,能得出较准确的折点出现时刻,且公式形式统一,便于计算机编程。关键词:恢复力模型;折点;计算公式中图分类号:O322 文献标识码:A
建筑结构在循环往复荷载(如地震)作用下进入非弹性工作状态时,往往会表现出滞回性能,其力与变形的关系曲线称为滞回曲线或恢复力曲线,一般的恢复力曲线都是曲线型的,使得在数值积分中难以处理,因此,人们往往采用分段直线的折线型恢复力模型进行分析。这种折线型的恢复力曲线在积分中的应用往往使计算简化且减小计算工作量,但却带来一个问题,即折线型恢复力模型在两相邻的不同刚度段之间存在着刚度突变的界点,称为折点。由于折点的存在,在数值积分中,应该找到这些折点出现的较为准确的时刻,以及相应时刻结构的位移、速度、加速度及内力反应,并在此时刻改变刚度为下一段折线的刚度,以保证积分的精度。并且,折点往往出现在某一积分步长内,而常用的Newmark-β法以及Wilson-θ法等积分方法的一个基本假设就是假定结构的刚度特性分段线性,在一个积分步长内刚度值不发生变化。因此,在恢复力模型的折点所在步长内,必须再分小步长,从而精确地或者近似地确定刚度突度处的时刻,依次对不同刚度状态进行计算,求得反应结果时程。折点出现时刻的算法通常是先计算t与t+Δt时刻结构的反应,然后根据结构在这两个时刻的位移和速度判断是否出现折点,如果在Δt时间间隔内出现折点,则需确定折点位置。折点位置确定的方法目前一般有台劳级展式法、插值法,以及模糊数学处理方法等[1,2,3],这些方法中,模糊数学处理方法有待进一步探讨。插值法需要迭代运算,计算工作量较大,并且一般都考虑结构位移与速度反应在Δt内线性插值,而与Newmark-β法及Wilson-θ法中线性加速度的假设不符,因而精度较差。台劳展式法计算简单,但误差大,有时还会产生不合理的结果。有研究者提出了折点的非迭代处理方法[4,5],但文[4]的处理方法中涉及到积分
步长Δt的后一时刻的结构的加速度反应,这就给计算带来矛盾,因为到Δt时刻时,结构刚度已经变化,即从前一时刻t到折点处结构的刚度与折点处到t+Δt时刻结构的刚度不相同,求出的结构反应也是不同的。文[5]的方法假设加速度与速度的变化与原计算的本步长全步长时相同,这显然不合理。因此,笔者寻求新的非迭代计算公式。笔者以结构非线性动力方程求解的几种常用方法,如Newmark-β法及Wilson-θ法的共同假设,即以线性加速度假设为基础,结合结构的基本动力方程,提出处理折点的迭代方法,推导出统一形式的求解折点时刻的公式,笔者所提方法避免迭代运算,方便编制程序,精度提高。
1 恢复力模型及两类折点一般结构的恢复力曲线如图1a所示,为处理方便,将其模型化为图1b所示的折线型恢复力模型,从图2b可知,该模型存在两类折点,第1类折点,指的是广义加载点,如图2a所示,这类折点的特点是在折点
2002年1月 重庆大学学报 (自然科学版)Vol.25第25卷1期JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2002
收稿日期:2001-08-28作者简介:肖明葵(1952-),女,重庆市人,副教授,主要从事抗震动力分析研究。两侧速度值不改变符号;第2类折点指卸载点,如图2b所示,卸载点的特点是折点两侧的速度改变符号。因此,一般来说,加载折点的判别依据是以位移为基础的,而卸载折点的判别依据是以速度的变化为基础的。据此,可以推导这两类折点的计算公式。
(a)(b)1 恢复力曲线及折线型恢复力模型
2 折点计算公式推导结构在循环往复荷载作用下的动力方程为[6]:
MΔǜ+CΔ﹒u+KΔu=-MΔǜg(1)式中:Δǜ,Δ﹒u和Δu分别为结构的加速度、速度及位移增量列阵;K为结构的刚度矩阵,随结构的变形状态不同而改变;Δǜg为地震地面运动加速度增量列阵;
u(t)u(t+Δt′)u(t+Δt)u cm(a)
u(t)u(t+Δt′)u(t+Δt)u cm(b)图2 折点类型图示在非线性动力方程的基础上,以Newark-β法为例,推导计算折点的计算公式。若设折点在(t,t+Δt)区间的某一点t+Δt0时刻出现,则对于一般多自由度体系,加载点折点处的位移可以假设为:u(t+Δt0)=u(t)+Δu(t)(2)式中:Δu为从t到t+Δt0处折点的位移增量列阵,又由Newark-β法[1]可知:
Δu(t)=﹒u(t)Δt0+12ǜ(t)Δt20+βΔǜ(t)Δt20(3)
Δ﹒u(t)=ǜ(t)Δt0+αΔǜ(t)Δt0(4)
从(3)式中解出:
Δǜ(t)=1βΔu(t)Δt20-1β﹒u(t)Δt0-12βǜ(t)(5)又从增量形式的动力方程解得:Δǜ(t)=-Δǜg(t)-M-1(CΔ﹒u(t)+KΔu(t))=-Δǜg(t)-M-1CΔ﹒u(t)-M-1KΔu(t)(6)
又由(2)式知: u(t+Δt0)-u(t)=Δu(t)(7)将(6)式代入(3)式中得从t时刻到折点时刻t+Δt这一时段的位移增量为:
Δu(t)=﹒u(t)Δt0+12ǜ(t)Δt20-βΔǜg(t)Δt20-
βM-1CΔ﹒u(t)Δt20-βM-1KΔu(t)Δt20-
1βΔu(t)+1βΔ﹒u(t)Δt0+12βǜ(t)Δt20-Δǜg(t)Δt0Δt3
0-
M-1CΔ﹒u(t)Δt20-M-1KΔu(t)Δt20(8)而将(5)式代入(4)式则得:
Δ﹒u(t)=ǜ(t)Δt0+αβΔu(t)Δt0-αβ﹒u(t)-α2βǜ(t)Δt0
(9)将(9)式代入(8)式并整理得:
-Δǜg(t)Δt0+α2β-1M-1Cǜ(t)Δt30+
12βǜ(t)+α
βM-1c﹒u(t)-M-1KΔu(t)Δt20+
14重庆大学学报 (自然科学版) 2002年1β﹒u(t)-M-1CαβΔu(t)Δt0-1βΔu(t)=0(10)将(10)式写为:AΔt30+BΔt20+CΔt0+D=0(11)式中:A=-Δǜg(t)Δt0+α2β-1M-1Cǜ(t)B=12βǜ(t)+α2βM-1C﹒u(t)-M-1KΔu(t)C=1β﹒u(t)-M-1CαβΔu(t)D=-1βΔu(t)(12)(12)式中的第一个系数A的右端第1项为在Δt0时间间隔内的地面运动加速度增量,当Δt取得很小时,Δt0又是Δt内的一个更小的划分,由于Δt0在这一步时不好确定,同时此项表示地面运动加速度在Δt0内的平均取值,一般数字化的地震加速度记录都是以Δt为间隔取值。因此,这一步取Δt即可满足精度,在计算中,一般直接以Δt代替该项的Δt0。对于卸载折点,其折点处速度为零,即:﹒u(t+Δt0)=0或写为:﹒u(t)+Δ﹒u(t)=0由Newark-β法知:﹒u(t)+ǜ(t)Δt0+αΔǜ(t)Δt0=0(13)因此:Δǜ(t)=-1αΔt0(﹒u(t)+ǜ(t)Δt0)(14)将(14)式及(3)式代入增量形式的运动方程(6)式中并整理得:M-1K12-β2ǜ(t)Δt30+Δǜg(t)Δt+M-1Kǜ(t)+M-1Kβ2﹒u(t)Δt02-M-1C﹒u(t)+1α﹒uΔt0-1α﹒u(t)=0(15)同样可以写为式(11)的标准形式为:AΔt03+BΔt02+CΔt0+D=0只是式中的A、B、C、D与加载点不同,它们分别为:A=M-1K12-βα﹒u(t)B=Δǜg(t)Δt+
M-1Kǜ(t)+M-1Kβ2﹒u(t)
C=M-1C﹒u(t)+1αǜ(t) D=-1α﹒u(t)
(16)
从以上推导可知,只要分别求出加载点及卸载点的A、B、C、D4个系数,代入方程(11)即可求得折点时刻,而A、B、C、D中的各项均仅与在t时刻计算出结构的位移、速度及加速度以及t时刻的结构的刚度有关。同理,可以推导Wilson-θ法的折点公式,限于篇幅,推导从略,其结果仍然可以采用式(11)的通用公式,但该式中的A、B、C、D系数分别为:对于加载折点:
A=16θ2Δǜg(t)Δt0-512θ3M-1Cǜ(t)
B=12θ2ǜ(t)-12θ2M-1C﹒u(t)-16θ2M-1Ku(t)C=θ﹒u(t)+12θM-1CΔu(t)D=-Δu(t)(17)对于卸载折点:
A=12M-1Kθ3ǜ(t)-13θ3ǜ(t)
B=M-1Cθ2﹒u(t)+13θ2﹒uΔǜg(t)ΔtC=M-1Cθ﹒u(t)D=-2﹒u(t)(18)
当θ=1时,即退化为一般的线性加速度法的折点计算公式。从(11)式的系数A、B、C、D可知,对于加载点,系数中存在Δu项,该项在求解动力方程中实际为已知值,因为对应于两折线型恢复力模型加载折点为屈服点,而对应于3折线型的恢复力模型,加载折点还包括在屈服前的开裂点(对于钢筋混凝土结构此时为混凝土开裂),当各楼层的层间变形及力的特征已经确定,则开裂位移及屈服位移为已知值,且t时刻的位移在本步长中已经求得,因此,Δu一般为已知项。A、B、C、D各项系数为可由结构在t时刻的位移、速度、加速度响应以及在t时刻的结构动力特性(如刚度)和折点
15第25卷第1期 肖明葵等: 滞回恢复力模型中求折点的一种方法