MATLAB環(huán)境下的混凝土能量損耗計(jì)算

閆東偉+汪志強(qiáng)+董琦

摘 要：混凝土材料在周期載荷作用下應(yīng)變對應(yīng)力具有一定的滯后效應(yīng)，應(yīng)變和應(yīng)力之間存在一定的相位差，由于相位差的存在，使材料在振動過程中會產(chǎn)生一定的能量損耗，可以降低動力荷載帶來的不利影響。本文利用MATLAB處理混凝土單軸試驗(yàn)條件下進(jìn)行正弦波加載得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，求得了應(yīng)力應(yīng)變滯回圈的特征參量和面積，得出了材料在不同加載頻率下的能量損耗，基于正態(tài)分布假設(shè)，得到了材料的峰值頻率，為混凝土材料的動力學(xué)性能研究提供參考。

關(guān)鍵詞：滯回圈 能量損耗 MATLAB 峰值頻率

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0090-03

Abstract：In the case of alternating loads， the strain has a certain hysteresis effect on the stress. There is a certain phase difference between the strain and the stress. Due to the existence of the phase difference， the material will produce some energy loss during the vibration process， which can reduce the adverse effect of the dynamic load on the vibration of the concrete material during the working process. In this paper， the experimental data of the concrete single-axis experiment under sine wave loading are analyzed by MATLAB. The experimental data are analyzed to calculate the characteristic parameters and area of the stress-strain hysteresis loop. So the energy loss of the material under different loading frequency is obtained. Based on the assumption of normal distribution， the peak frequency of the material can be found， which can provide reference for understanding the dynamic performance of the concrete.

Key Words：Hysteresis loop； Energy loss； MATLAB； Peak Frequency

材料在特定的應(yīng)力作用下，可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性。理想彈性條件下，材料的應(yīng)力和應(yīng)變完全同步，粘性條件下，應(yīng)變對應(yīng)力有一定的滯后，一般稱之為粘滯性或滯彈性。由于材料粘滯性的存在，材料或結(jié)構(gòu)會持續(xù)吸收外部輸入能量并耗散部分傳入的能量，由于固體內(nèi)部原因使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱為“能量損耗”。在非彈性階段，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)耗散能量的能力，即保持承載力的同時(shí)可以在荷載作用下耗散部分能量[1]，這將大大提高結(jié)構(gòu)的減震能力，在結(jié)構(gòu)抗震、高速鐵路建設(shè)等方面發(fā)揮重要的作用。

在周期荷載作用下，材料的粘滯性會導(dǎo)致應(yīng)變和應(yīng)力之間存在一定的相位差，形成應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈。結(jié)構(gòu)耗散能量的能力可以用應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈的面積來衡量。目前，很多研究[2-5]只是對滯回圈的面積進(jìn)行了一些定性的比較，來粗略地判斷耗能能力；還有一些研究為了便于計(jì)算，只是簡單地將各點(diǎn)間用直線連接[6]，粗略計(jì)算滯回圈的面積，造成難以避免的誤差。

本文主要采用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈的橢圓方程，精確計(jì)算滯回圈的面積。對不同頻率下的能耗進(jìn)行高斯擬合，得到能耗隨頻率的變化規(guī)律，并得到能耗的峰值，為判斷結(jié)構(gòu)耗散能量的能力提供依據(jù)。

1 應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈

對粘彈性材料施加一定頻率的正弦波荷載，應(yīng)變滯后于應(yīng)力，存在一個(gè)不變的相位差。將應(yīng)變與應(yīng)力繪制在同一坐標(biāo)曲線中，得到一個(gè)滯回圈，其面積即為材料在一個(gè)周期內(nèi)的能量損耗，見圖1。

應(yīng)力循環(huán)中的能量損耗為體系單周應(yīng)力循環(huán)的損耗功W，即外部對體系做功—體系對外部做功。滯回圈所包圍的面積代表材料振動一周所產(chǎn)生的能量損耗。滯回圈的面積愈大，則能量損耗也愈大。滯回圈面積的大小取決于應(yīng)變和應(yīng)力之間的相角差，當(dāng)相角差為零時(shí)，材料為理想彈性體，滯回圈的形狀為一條直線，不產(chǎn)生能量損耗。而在一般情況下，應(yīng)變和應(yīng)力之間相角差不為零，相角差愈大，滯回圈面積愈大，能量損耗也愈大。

2 混凝土周期載荷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)基本情況

選擇鋼纖維含量為2%的活性粉末混凝土試件進(jìn)行單軸試驗(yàn)，規(guī)格為φ49.83mm×102.08mm的圓柱體，塊體密度為2.39g/cm3，試樣灰色，致密，表面可見少量鋼纖維。為了減少巖樣上下端部表面的摩擦阻力及偏心荷載的影響，對巖樣兩端進(jìn)行打磨，保證試件兩端面光滑。

在15MPa應(yīng)力水平下，按應(yīng)變控制進(jìn)行正弦波周期載荷單軸試驗(yàn)。設(shè)定6種頻率（0.5Hz、1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、10Hz），加載速率為0.006mm/s，周期載荷作用變位幅值為0.1mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)周期載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以繪出應(yīng)力應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線，圖2為4Hz條件下得到的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線。從圖2中可以觀察到應(yīng)力滯后于應(yīng)變，兩者存在大小基本恒定相位差。可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算不同頻率條件下的混凝土能量損耗。endprint

3 能量損耗計(jì)算

利用最小二乘法對所得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到鋼纖混凝土材料的滯回圈（橢圓），給出滯回圈基本參數(shù)，求出滯回圈面積，即一個(gè)振動周期內(nèi)的能量損耗。一般認(rèn)為，巖石類材料動態(tài)能量損耗的頻率響應(yīng)存在峰值頻率（共振頻率）[7]，本文利用MATLAB可對能量損耗-頻率進(jìn)行高斯擬合，得到能量損耗-頻率之間的函數(shù)關(guān)系，確定了鋼纖混凝土材料在周期荷載下能量損耗的峰值頻率。

3.1 能量損耗求解程序代碼

3.2 參數(shù)的擬合

擬合得到的橢圓參數(shù)見表1，a1～a5分別代表橢圓一般方程中x2、y2、x y、x和y項(xiàng)的系數(shù)。

圖3為試驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)與擬合得到的橢圓，可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)集中于橢圓曲線附近，用最小二乘法擬合的誤差較小。

3.3 混凝土材料能量損耗的計(jì)算

3.4 峰值頻率計(jì)算

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，利用MATLAB進(jìn)行高斯擬合，結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)語

本文分析了具有粘滯性的鋼纖維混凝土材料在周期載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的滯回特性，編制了基于MATLAB環(huán)境的能量損耗計(jì)算程序，得到了能量損耗隨加載載荷頻率變化的正態(tài)分布曲線并計(jì)算出了2%摻量的鋼纖維混凝土的峰值頻率。本文所給的MATLAB在處理混凝土材料滯回圈的數(shù)據(jù)方法，不僅能根據(jù)所給數(shù)據(jù)擬合出橢圓的特征參數(shù)，還能精確地繪制出滯回圈的圖像。通過所給特征參數(shù)對橢圓的面積進(jìn)行求解，可在粘彈性材料的能量損耗研究方面得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳偉.基于OpenSees平臺開發(fā)的混凝土滯回本構(gòu)模型在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[2] 呂西林，陸偉東.反復(fù)荷載作用下方鋼管混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000，2l（2）：2-11.

[3] 徐云扉，胡慶昌，陳玉峰，等.低周反復(fù)荷載下兩跨三層鋼筋混凝土框架受力性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，l986（2）：l-16.

[4] 呂西林，陸偉東.反復(fù)荷載作用下方鋼管混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000，21（2）：2-11.

[5] 陶忠，韓林海.方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程震動，200l，21（1）：74-78.

[6] 王海生.鋼纖維—型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下抗震性能試驗(yàn)研究[D].湖南大學(xué)，2004.

[7] 丁中領(lǐng).不同速率及周期荷載作用下巖石類材料力學(xué)特性研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2015.endprint