余 波, 李長(zhǎng)晉, 吳然立

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

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鋼筋混凝土柱的非彈性恢復(fù)力模型與參數(shù)識(shí)別

余 波, 李長(zhǎng)晉, 吳然立

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

結(jié)合Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) 模型和微分進(jìn)化(DE)算法，提出了一種能夠有效考慮強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等典型滯回特性的鋼筋混凝土(RC)柱的非彈性恢復(fù)力模型及其參數(shù)識(shí)別方法，并討論了破壞模式對(duì)RC柱非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，該模型能夠較好地描述彎曲、彎剪和剪切破壞模式下RC柱的典型滯回特性；基于DE算法能夠較好地識(shí)別RC柱的非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)，具有收斂速度快、識(shí)別精度高和全局優(yōu)化性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；RC柱的非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)與破壞模式密切相關(guān)，隨著RC柱的破壞模式從彎曲破壞到彎剪破壞和剪切破壞的變化，強(qiáng)度退化、剛度退化、捏攏總滑移量、捏攏斜率等參數(shù)均逐漸增大，說(shuō)明剪切破壞型RC柱的退化效應(yīng)和捏攏效應(yīng)更加明顯。

鋼筋混凝土柱；非彈性；恢復(fù)力；破壞模式；參數(shù)識(shí)別

鋼筋混凝土(RC)柱是工程結(jié)構(gòu)的重要承力構(gòu)件，在地震作用下容易發(fā)生損傷破壞，是結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的重要對(duì)象。受剪跨比、軸壓比、配箍率、配筋率等因素的影響，RC柱在地震作用下可能發(fā)生彎曲、彎剪或剪切破壞。不同破壞模式下RC柱的恢復(fù)力滯回特性差異較大。同時(shí)，受混凝土損傷、開(kāi)裂以及鋼筋滑移等因素的影響，RC柱在強(qiáng)震作用下往往表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等滯回特性[1-2]。因此，建立一種能夠有效考慮強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等典型滯回特性的非彈性恢復(fù)力模型，是RC柱開(kāi)展地震動(dòng)力反應(yīng)分析的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，RC柱的恢復(fù)力模型主要包括理想彈塑性模型、雙線型模型、Clough模型、Takeda三線型模型、Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN)模型等[1-5]。其中，由于BWBN模型能夠較好地描述強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等滯回特性，且屬于光滑曲線型模型，因此得到廣泛應(yīng)用[6-8]。然而，BWBN模型有12個(gè)模型參數(shù)，其中包括4個(gè)形狀參數(shù)、2個(gè)退化參數(shù)和6個(gè)捏攏效應(yīng)參數(shù)。BWBN模型本質(zhì)上屬于經(jīng)驗(yàn)型滯回模型，其模型參數(shù)雖然具有明確的物理意義，但是缺乏定量的計(jì)算公式[9,10]。因此，如何根據(jù)RC柱的擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，高效、準(zhǔn)確地識(shí)別BWBN模型的參數(shù)取值，是RC柱開(kāi)展非彈性地震動(dòng)力反應(yīng)分析的關(guān)鍵。

目前，識(shí)別模型參數(shù)的方法主要包括模擬退火(SA)算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法、遺傳算法(GA)、粒子群優(yōu)化(PSO)算法、微分進(jìn)化(DE)算法等。其中，SA算法[11]來(lái)源于模擬固體內(nèi)部粒子在升溫過(guò)程中變?yōu)闊o(wú)序狀、在冷卻過(guò)程漸趨于有序狀的物理現(xiàn)象。SA算法適用于離散型、連續(xù)型及混合型變量，其魯棒性、全局收斂性、隱含并行性等性能較優(yōu)，但識(shí)別效率不高，且參數(shù)和試探數(shù)的控制上限難以選取。ANN算法[12]主要模擬由大量簡(jiǎn)單的神經(jīng)元按照某種方式連接形成的智能仿生動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，以簡(jiǎn)單非線性神經(jīng)元作為處理單元，通過(guò)廣泛連接構(gòu)成大規(guī)模分布式并行處理的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。ANN算法具有較好的自適應(yīng)能力及非線性映射能力，且容錯(cuò)性較好，但容易陷入局部最優(yōu)解。GA算法[6-7]是一種模擬遺傳選擇和自然淘汰生物進(jìn)化過(guò)程的仿生計(jì)算方法，具有適應(yīng)性較廣、平行性良好、全局優(yōu)化性能較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但需要進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作，計(jì)算量較大，而且采用二進(jìn)制編碼難以應(yīng)用于實(shí)數(shù)問(wèn)題。PSO算法[13]來(lái)源于對(duì)鳥(niǎo)群覓食行為的研究，主要模擬鳥(niǎo)群在飛行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)突然改變方向、散開(kāi)、聚集，其行為不可預(yù)測(cè)，但其整體總保持一致，個(gè)體與個(gè)體之間總保持最適宜的距離的自然現(xiàn)象。PSO算法無(wú)需GA的選擇、交叉、變異等操作，編碼也比較簡(jiǎn)單，但識(shí)別精度有限；DE算法[14]是一種基于群體進(jìn)化的高效隨機(jī)搜索全局優(yōu)化算法，可以對(duì)非線性不可連續(xù)空間函數(shù)進(jìn)行最小化，具有記憶個(gè)體最優(yōu)解和種群內(nèi)信息共享、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、收斂速度快，魯棒性好和全局搜索能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且直接采用實(shí)數(shù)進(jìn)行操作，可以避免GA算法采用二進(jìn)制編碼存在的缺陷。文獻(xiàn)[13]對(duì)比分析了PSO、GA和DE算法在剪切型結(jié)構(gòu)線彈性恢復(fù)力模型參數(shù)識(shí)別中的有效性，發(fā)現(xiàn)DE算法更為有效。

鑒于此，本文結(jié)合BWBN模型和DE算法在非彈性恢復(fù)力模型描述與參數(shù)識(shí)別中的各自優(yōu)勢(shì)，提出了一種能夠有效考慮強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等典型滯回特性的RC柱非彈性恢復(fù)力模型及其參數(shù)識(shí)別方法，并討論了破壞模式對(duì)RC柱非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)的影響規(guī)律，可以為RC柱的非彈性地震動(dòng)力反應(yīng)分析提供有效手段。

1 RC柱的非彈性恢復(fù)力模型

受混凝土損傷、開(kāi)裂以及鋼筋滑移等因素的影響，RC柱在強(qiáng)震作用下通常表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等滯回特性[1-2]。基于BWBN模型，RC柱的非彈性恢復(fù)力描述為[15-16]：

R(u,z)=αk0u+(1-α)k0z

(1)

式中:R(u,z)為非彈性恢復(fù)力；k0為初始線彈性剛度；α為屈服后剛度比；u為相對(duì)側(cè)向位移；z為滯回位移。側(cè)向位移u與滯回位移z之間的關(guān)系為：

(2)

式中:β、γ和n為滯回曲線的形狀參數(shù)；η和v分別為剛度和強(qiáng)度退化參數(shù)：

η=1+δηε；v=1+δvε

(3)

式中:δη和δv分別為剛度和強(qiáng)度退化率；ε為時(shí)程T內(nèi)的累積滯回耗能：

(4)

此外，式(2)中的h(z)為“捏攏效應(yīng)”函數(shù)：

(5)

ζ1=ζs[1-exp(-pε)]

(6)

ζ2=(ψ+δψε)(λ+ζ1)

(7)

(8)

2 非彈性恢復(fù)力模型的參數(shù)識(shí)別

(9)

(10)

由于DE算法不需要采用二進(jìn)制編碼，且具有算法原理簡(jiǎn)單、魯棒性好、全局搜索能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[14]，所以本文基于DE算法識(shí)別RC柱的非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)。DE算法主要包括初始化種群、變異、交叉、選擇等操作。

2.1 初始化種群

(11)

種群規(guī)模NP影響DE算法的識(shí)別精度和效率。種群規(guī)模NP越大，DE算法的搜索能力越強(qiáng)，但需要的個(gè)體評(píng)價(jià)越多，計(jì)算成本越高；相反，NP太小則會(huì)導(dǎo)致種群多樣性減少，無(wú)法收斂到全局最優(yōu)解。通常將NP選取為分量維數(shù)的5倍～10倍[17]。

2.2 變異過(guò)程

DE算法通過(guò)變異操作來(lái)增強(qiáng)每一代群體的多樣性。通常利用隨機(jī)偏差擾動(dòng)的方式，將種群中若干個(gè)體之間的加權(quán)差向量與基準(zhǔn)向量進(jìn)行組合產(chǎn)生變異個(gè)體，使得每一代個(gè)體不斷拓展新的收索空間，從而保持搜索過(guò)程的魯棒性。若利用隨機(jī)個(gè)體和當(dāng)前種群的最優(yōu)個(gè)體來(lái)構(gòu)造基點(diǎn)向量，則變異操作可以表示為

(12)

2.3 交叉過(guò)程

(13)

式中:jrand為[1,D]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，目的是保證至少有一個(gè)分量來(lái)自變異個(gè)體Vi,G；Cr為交叉概率，用于控制子代個(gè)體繼承變異個(gè)體的比例。當(dāng)Cr取較大值時(shí)，有利于加速收斂，但容易發(fā)生早熟。Cr的典型取值范圍為0.3～0.9[17]。

2.4 選擇過(guò)程

DE算法通過(guò)“貪婪”方式進(jìn)行選擇，將通過(guò)變異和交叉操作所產(chǎn)生的候選個(gè)體Ui,G和父代個(gè)體Xi,G進(jìn)行比較，選擇適應(yīng)度較好的個(gè)體：如果Ui,G的適應(yīng)度比Xi,G的適應(yīng)度好，則Ui,G將取代Xi,G進(jìn)入到下一代，否則保留Xi,G。選擇操作描述為：

(14)

式中:f(Ui,G)和f(Xi,G)分別表示Ui,G和Xi,G的適應(yīng)度值。

2.5 基于DE算法識(shí)別非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)

結(jié)合BWBN模型和DE算法在非彈性恢復(fù)力模型描述及其參數(shù)識(shí)別中的各自優(yōu)勢(shì)，建立一種RC柱非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)識(shí)別的高效方法，其計(jì)算流程如圖1所示，主要步驟包括：

圖1 RC柱非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)識(shí)別流程圖Fig.1 Flowchart of parameter identification of inelastic restoring model of RC column

接下來(lái)要面對(duì)的另一個(gè)難關(guān)就是色彩。敦煌壁畫上的色彩大多來(lái)自礦物和植物印染，可是由于資料和技術(shù)的缺失，想要還原就只能自己去想辦法。為此，楚艷專門拜訪了日本國(guó)寶級(jí)植物染色大師吉岡幸雄，跟他學(xué)習(xí)相關(guān)的染色技巧，然后又和團(tuán)隊(duì)一起遠(yuǎn)赴新疆，從采摘紅花開(kāi)始實(shí)驗(yàn)各種染色技法，用紅花、蘇木或者茜草進(jìn)行紅花染，染出紅色、橘紅等顏色。經(jīng)過(guò)上百道工序、無(wú)數(shù)個(gè)日夜的嘗試和調(diào)整，終于得到了理想中的敦煌色。青綠、土紅、土黃、褐黑，這些顏色仿佛一串極易心領(lǐng)神會(huì)的暗號(hào)，讓人看完就忍不住聯(lián)想大漠、黃風(fēng)、莫高窟。

(2) 根據(jù)式(11)，在給定邊界約束條件的搜索空間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生初始個(gè)體和初始種群；

(3) 將初始個(gè)體代入由式(1)～(8)所描述的BWBN模型，計(jì)算初始個(gè)體的適應(yīng)度值；

(4) 根據(jù)式(12)，通過(guò)變異操作產(chǎn)生變異個(gè)體；

(5) 根據(jù)式(13)，通過(guò)交叉操作產(chǎn)生候選個(gè)體；

(6) 將候選個(gè)體代入由式(1)～(8)所描述的BWBN模型，計(jì)算候選個(gè)體的適應(yīng)度值；

(7) 根據(jù)式(14)，通過(guò)選擇操作產(chǎn)生下一代個(gè)體和種群；

(8) 判斷是否滿足終止條件。若進(jìn)化代數(shù)達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)Gmax或最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度值小于fmax，則輸出最優(yōu)個(gè)體，進(jìn)化終止；否則，重復(fù)步驟(4)～(7)，直到滿足終止條件為止。

3 分析與討論

3.1 非彈性恢復(fù)力模型的參數(shù)識(shí)別

為了驗(yàn)證本文方法的有效性和適用性，并分析破壞模式對(duì)RC柱非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)的影響規(guī)律，從文獻(xiàn)[19-20]中分別選取發(fā)生彎曲破壞、彎剪破壞和剪切破壞的3條鋼筋混凝土柱的擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。不同破壞模式的鋼筋混凝土柱的基本參數(shù)見(jiàn)表1。其中，fc′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度(MPa)；fyl為縱筋屈服強(qiáng)度(MPa)；fys為箍筋屈服強(qiáng)度(MPa)；ρl為縱筋配筋率(%)；ρt為配箍率(%)；rn為軸壓比；rs為剪跨比。由表1知，剪切型鋼筋混凝土柱的剪跨比相對(duì)較小，而彎曲型鋼筋混凝土柱的剪跨比和配筋率相對(duì)較大。

表1 不同破壞模式RC柱的基本參數(shù)

首先分析DE算法的三個(gè)控制參數(shù)(種群規(guī)模NP、縮放因子F和交叉概率Cr)對(duì)模型參數(shù)識(shí)別的精度和效率的影響，并且確定其合理取值。當(dāng)F和Cr分別取0.6和0.4、NP從2D增大至20D時(shí)，DE算法的識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，當(dāng)NP從2D增大至20D時(shí)，DE算法的識(shí)別精度變化不大，但是計(jì)算耗時(shí)明顯增大。綜合考慮識(shí)別的精度與效率，本文后續(xù)分析將NP選取值為4D。

表2 NP對(duì)DE算法識(shí)別精度和效率的影響

縮放因子F的取值對(duì)DE算法的識(shí)別精度和效率的影響見(jiàn)表3。其中，NP取為4D，Cr取為0.4。由表3可知，當(dāng)F取0.2時(shí)，DE算法的誤差相對(duì)較大；當(dāng)F取0.6或0.8時(shí)，DE算法的識(shí)別精度和效率均較高。本文后續(xù)分析將F選取為0.6。

表3 F對(duì)DE算法識(shí)別精度和效率的影響

交叉概率Cr的取值對(duì)DE算法的識(shí)別精度和效率的影響見(jiàn)表4。其中，NP取為4D，F(xiàn)取為0.6。由表4可知，當(dāng)Cr取0.4、0.6或0.8時(shí)，DE算法的識(shí)別精度和效率均較高。本文后續(xù)分析將Cr選取為0.6。

表4 Cr對(duì)DE算法識(shí)別精度和效率的影響

根據(jù)RC柱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用DE算法分別確定不同破壞模式下鋼筋混凝土柱的BWBN模型參數(shù)。限于篇幅，以彎曲破壞型RC柱為例，其目標(biāo)函數(shù)值隨進(jìn)化代數(shù)的變化如圖2所示。由圖2可知，隨著進(jìn)化代數(shù)的增加，目標(biāo)函數(shù)值逐漸減小，說(shuō)明RC柱的恢復(fù)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的誤差逐漸減??；當(dāng)進(jìn)化代數(shù)達(dá)到500代左右以后，目標(biāo)函數(shù)值基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明DE算法的收斂速度快、識(shí)別效率較高。

圖2 目標(biāo)函數(shù)值隨進(jìn)化代數(shù)的變化Fig.2 Variation of objective function along with evolutionary generations

RC柱的非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)隨進(jìn)化代數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，隨著進(jìn)化代數(shù)的增加，RC柱的BWBN模型參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。通過(guò)大量的分析發(fā)現(xiàn)，將形狀參數(shù)n選取為1可以得到較好的識(shí)別效果，且不影響識(shí)別精度，為了減少待識(shí)別模型參數(shù)的數(shù)量，本文將n固定為1。由圖3(a)可知，當(dāng)進(jìn)化代數(shù)達(dá)到400代左右以后，BWBN模型的形狀參數(shù)(α、β和γ)基本趨于穩(wěn)定，其中形狀參數(shù)α的取值相對(duì)較小，即屈服后剛度與初始線彈性剛度的比值相對(duì)較小，說(shuō)明彎曲破壞型RC柱的應(yīng)變硬化效應(yīng)不明顯。由圖3(b)可知，當(dāng)進(jìn)化代數(shù)達(dá)到100代左右以后，BWBN模型的強(qiáng)度和剛度退化參數(shù)(δv和δη)基本趨于穩(wěn)定，且二者的取值相對(duì)較小，說(shuō)明彎曲破壞型RC柱的強(qiáng)度和剛度退化效應(yīng)不明顯，這一點(diǎn)在圖4中可以得到驗(yàn)證。由圖3(c)可知，當(dāng)進(jìn)化代數(shù)達(dá)到500代左右以后，BWBN模型的捏攏效應(yīng)參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。其中，控制捏攏總滑移量的參數(shù)ζs的取值相對(duì)較小，說(shuō)明彎曲破壞型RC柱的捏攏效應(yīng)不明顯，這一點(diǎn)在圖4中可以得到驗(yàn)證。

圖3 BWBN模型參數(shù)隨進(jìn)化代數(shù)的變化Fig.3 Variation of BWBN model parameters along with evolutionary generations

3.2 破壞模式對(duì)滯回曲線的影響

滯回曲線能夠反映RC柱的強(qiáng)度退化、剛度退化、捏攏效應(yīng)、滯回耗能以及延性等重要信息，是RC柱抗震性能的綜合體現(xiàn)。三種破壞模式下RC柱的滯回曲線如圖4所示。

對(duì)于剪跨比較大、軸壓比較小且配筋合理的RC柱，受彎承載力通常起控制作用，往往會(huì)發(fā)生彎曲破壞。在破壞過(guò)程中，縱向受拉鋼筋首先屈服，在經(jīng)歷較大的塑性變形后，受壓區(qū)邊緣混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，此時(shí)縱筋屈服形成塑性鉸、混凝土壓潰而發(fā)生破壞，整個(gè)過(guò)程的滯回耗能較大，屬于延性破壞。如圖4(a)所示，彎曲破壞型RC柱的滯回曲線比較飽滿，強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)均不明顯，具有良好的延性和滯回耗能能力。

彎剪破壞與彎曲破壞的共同點(diǎn)在于潛在塑性鉸區(qū)縱向鋼筋首先屈服，之后鋼筋處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，而不同點(diǎn)在于箍筋在受壓區(qū)邊緣混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變之前屈服。彎剪破壞過(guò)程主要包括縱筋屈服、混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋外露、箍筋屈服和縱筋壓曲等過(guò)程。如圖4(b)所示，隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，彎剪破壞型RC柱表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度和剛度退化，具有一定的延性和耗能能力。

圖4 滯回曲線的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比Fig.4 Comparion between hysteretic loops obtained by computation and experiment

對(duì)于剪跨比較小、軸壓比較大、混凝土強(qiáng)度較低或箍筋約束不足的RC柱，受剪承載力往往起控制作用，通常會(huì)發(fā)生剪切破壞。剪切破壞時(shí)箍筋屈服，但縱筋始終未屈服。如圖4(c)所示，剪切破壞型RC柱達(dá)到抗剪承載力后所承擔(dān)的水平力隨著變形的增大而迅速降低，強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)均比較明顯，滯回曲線干癟，延性和滯回耗能能力較差。

由本文方法識(shí)別的BWBN模型參數(shù)所確定的滯回曲線與RC柱滯回曲線的實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖4所示。由圖4可知，對(duì)于三種不同破壞模式的RC柱，其滯回曲線的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值均吻合較好，說(shuō)明本文方法的參數(shù)識(shí)別精度較高。進(jìn)一步地，恢復(fù)力(彎矩)時(shí)程的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，雖然在整個(gè)加載過(guò)程中，恢復(fù)力的幅度變化較大，但是恢復(fù)力時(shí)程的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值在整個(gè)加載歷程中吻合較好，說(shuō)明所提出的參數(shù)識(shí)別方法具有良好的全局優(yōu)化性能。

圖5 恢復(fù)力時(shí)程的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比Fig.5 Comparion between time history of restoring force obtained by computation and experiment

3.3 破壞模式對(duì)非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)的影響

由圖4可知，不同破壞模式下RC柱的強(qiáng)度退化、剛度退化、捏攏效應(yīng)、滯回耗能以及延性等差異較大，說(shuō)明破壞模式對(duì)RC柱的非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)影響較大。由本文方法所確定的三種不同破壞模式下RC柱的BWBN模型參數(shù)見(jiàn)表5。破壞模式對(duì)BWBN模型部分典型參數(shù)的影響規(guī)律見(jiàn)圖6。結(jié)合表5和圖6可知，RC柱的BWBN模型參數(shù)與破壞模式密切相關(guān)。隨著RC柱的破壞模式從彎曲破壞到彎剪破壞、剪切破壞的變化，強(qiáng)度退化、剛度退化、捏攏總滑移量、捏攏斜率等參數(shù)均逐漸增大，說(shuō)明剪切破壞型RC柱的退化效應(yīng)和捏攏效應(yīng)均比較明顯，而彎曲破壞型RC柱的退化效應(yīng)和捏攏效應(yīng)相對(duì)不明顯。

表5 不同破壞模式下RC柱的BWBN模型參數(shù)

圖6 破壞模式對(duì)非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)的影響Fig.6 Influence of failure mode on parameters ofinelastic restoring force model

4 結(jié) 論

結(jié)合BWBN模型和DE算法，提出了一種RC柱非彈性恢復(fù)力模型及其參數(shù)識(shí)別方法。分析結(jié)果表明：

(1) 該模型能夠有效考慮強(qiáng)度退化、剛度退化和捏攏效應(yīng)等典型滯回特性，且能夠較好地描述彎曲、彎剪和剪切破壞模式下RC柱的滯回特性。

(2) 當(dāng)進(jìn)化代數(shù)達(dá)到500代左右以后，目標(biāo)函數(shù)值和非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)均趨于穩(wěn)定，說(shuō)明DE算法的收斂速度較快、識(shí)別效率較高。

(3) 由本文方法所識(shí)別的非彈性恢復(fù)力模型參數(shù)，可以保證RC柱的滯回曲線和恢復(fù)力時(shí)程的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值在整個(gè)加載過(guò)程中始終吻合較好，說(shuō)明該方法具有良好的全局優(yōu)化性能。

(4) 破壞模式對(duì)RC柱的恢復(fù)力模型參數(shù)影響較大。隨著RC柱的破壞模式從彎曲破壞到彎剪破壞、剪切破壞的變化，強(qiáng)度退化、剛度退化、捏攏總滑移量、捏攏斜率等參數(shù)均逐漸增大，說(shuō)明剪切破壞型RC柱的退化效應(yīng)和捏攏效應(yīng)比較明顯。

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Inelastic restoring force model and its parametric identification for reinforced concrete columns

YU Bo, LI Changjin, WU Ranli

(Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education, School of Civil Engineering & Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China )

The inelastic restoring force model and its parameter identification for reinforced concrete (RC) columns were studied by combining the differential evolution (DE) algorithm with Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) model considering the typical hysteretic behaviors, such as, strength degradation, stiffness deterioration and pinching effect. The influences of failure modes on the model parameters of inelastic restoring force of RC columns were also discussed. The analysis results indicated that the hysteretic behaviors of restoring force of RC columns can be described rationally with the proposed inelastic restoring force model; the proposed method for the parameter identification of the inelastic restoring force model has a rapid convergence speed, a high identification accuracy and the strong capability of global optimization; the failure mode has a significant effect on the model parameters of inelastic restoring force of RC columns; the model parameters including strength degradation, stiffness deterioration, total slip of pinching and pinching slop increase gradually when the failure mode changes from flexure failure to flexure-shear failure and shear failure, so the deterioration and pinching effects of the shear failure type of RC columns are more obvious.

reinforced concrete column; inelastic; restoring force; failure mode; parameter identification

國(guó)家自然科學(xué)基金(51368006);廣西自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2012GXNSFEA053002);廣西自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(2013GXNSFBA019237);廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2013YB009)

2015-07-14 修改稿收到日期：2015-10-21

余波 男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，1982年生

TU311.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.036