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屈服后刚度检测

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发布时间：2025-05-30 13:27:45 更新时间：2025-05-29 13:27:46

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

屈服后刚度检测：保障结构延性与安全的关键评估

在工程结构，尤其是建筑、桥梁等承受动荷载（如地震、风振）的结构中，材料或构件在经历初始屈服进入塑性阶段后的力学行为至关重要。屈服后刚度，是指材料或构件在屈服点之后继续变形时，其抵抗变形的能力（即刚度）的变化特征。它并非指刚度保持恒定，而是描述屈服后阶段应力增量与塑性应变增量之间的关系。这一参数直接关系到结构的延性、耗能能力以及在地震等极端荷载作用下的抗倒塌性能。良好的屈服后刚度特性意味着结构在屈服后仍能保持一定的承载力和刚度，能有效控制变形，避免发生突然的强度或刚度退化，从而为人员疏散和结构修复争取宝贵时间。因此，精确、可靠地检测和评估材料或结构体系的屈服后刚度特性，是结构抗震设计、性能评估以及新材料研发中的核心环节。

核心检测项目

1. 滞回曲线特征分析： 这是最核心的项目。通过分析在循环荷载作用下得到的力-位移（或应力-应变）滞回曲线，识别屈服点、峰值点、极限点等关键状态，并计算屈服后不同阶段的割线刚度或切线刚度。

2. 刚度退化率： 量化在反复循环荷载作用下，屈服后刚度随加载循环次数或累积塑性变形增加而下降的程度。这反映了结构在反复变形中的损伤累积和性能衰减。

3. 再加载刚度： 在卸载到零后再重新加载时，结构表现出的初始刚度。屈服后良好的再加载刚度有助于结构在反复荷载下维持稳定性。

4. 等效屈服后刚度： 有时为了简化设计或分析，会定义一个等效的屈服后刚度值，用于表征从屈服点到极限点（或某一目标位移）之间的平均刚度特征。

主要检测仪器

1. 万能材料试验机（伺服液压式）： 这是进行构件或节点屈服后刚度检测最常用和核心的设备。它必须能够提供足够大的力和行程，并能精确控制加载方式（力控或位移控，特别是位移控制对于获取屈服后行为至关重要），同时具备高精度的数据采集能力。

2. 作动器： 通常集成在试验机上或作为独立部件，用于施加循环荷载或位移。伺服液压作动器因其出力大、响应快、控制精度高而被广泛应用。

3. 高精度传感器：

荷载传感器： 用于精确测量施加在试件上的力。
位移计/线性可变差动变压器： 用于精确测量试件的变形或位移（局部或整体）。
应变计/应变片： 用于测量试件关键部位的局部应变。

4. 数据采集系统： 高速、高精度的数据采集系统，用于实时同步记录荷载、位移、应变等信号，采样频率需足够高以捕捉加载过程中的细节变化。

5. 反力架/加载框架： 为试验提供必要的反力支承，保证加载的稳定性和试件的边界条件符合设计要求。

关键检测方法

1. 拟静力试验（低周反复加载试验）： 这是评估结构构件（如梁、柱、节点、剪力墙）屈服后刚度最标准、最可靠的方法。核心步骤如下：

试件安装： 将试件按照设定的边界条件（固定、铰接、滑动等）安装于反力架中。
传感器布置： 在关键位置安装荷载传感器、位移计和应变计。
加载制度设定： 通常采用位移控制加载。加载历程依照相关标准（如GB 50011附录M、ACI 374.1、ISO 16670等）进行设计，常见的有：
- 等幅加载： 在屈服前按力或位移分级加载，屈服后按位移幅值控制进行多次等幅循环加载。
- 变幅加载： 位移幅值按预定步长（如1Δy, 2Δy, 3Δy...，其中Δy为屈服位移）逐级增加，并在每级位移下进行若干次循环。
数据采集： 在加载过程中实时高频率采集荷载、位移、应变数据。
滞回曲线绘制： 基于采集的数据绘制力-位移（或弯矩-转角）滞回曲线。
屈服后刚度计算：
- 割线刚度： 计算从一个参考点（如零点、卸载点）到目标位移点（如同级位移峰值点）连线的斜率。例如，同级位移峰点之间的割线刚度 K_sec = |+F_max - (-F_max)| / |+Δ_max - (-Δ_max)| = |F_max| / Δ_max 。分析其在后续循环中的变化。
- 卸载/再加载刚度： 分析滞回环中卸载段和再加载段的切线或割线刚度，评估刚度退化情况。
- 等效刚度： 计算从屈服点到极限点（或某一目标点）的等效割线刚度。

2. 单调加载试验（结合逆推分析）： 对于某些材料或简单构件，在获取完整的单调加载曲线（包含明显的屈服平台或强化段）后，可以通过曲线分析来估算屈服后的切线刚度或强化模量。但这无法评估循环荷载下的刚度退化。

主要检测标准与规范

屈服后刚度检测通常遵循与结构抗震性能试验相关的标准，国内外主要标准包括：

1. 中国标准：

GB 50011-2010 《建筑抗震设计规范》（及后续修订版）附录M： 规定了建筑结构构件抗震性能试验的加载方法、数据采集要求等，是进行拟静力试验的主要依据。
JGJ/T 101-2015 《建筑抗震试验规程》： 提供了更详细的建筑结构抗震性能试验方法，包括拟静力试验、振动台试验等，对加载制度、测量方法、数据处理（包括刚度计算）有更具体的规定。

2. 国际标准：

ISO 16670:2003 Timber structures - Joints made with mechanical fasteners - Quasi-static reversed cyclic test method: 虽然针对木结构节点，但其规定的循环加载方法和刚度计算方法具有参考价值。
ASTM E2126-11(2021) Standard Test Methods for Cyclic (Reversed) Load Test for Shear Resistance of Vertical Elements of the Lateral Force Resisting Systems for Buildings: 针对建筑抗侧力竖向构件的循环加载试验方法。
ACI 374.1-05 Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing and Commentary / ACI ITG-5.1-07: 美国混凝土学会关于抗震性能试验和验收的标准，包含了对试验方法和性能评估（包括刚度退化）的要求。
EN 12512:2001 Timber structures - Test methods - Cyclic testing of joints made with mechanical fasteners: 欧洲标准，也提供了循环加载试验的框架。
JASS 5 日本建筑学会标准钢构造篇 / AIJ Recommendations for Design of Connections in Steel Structures: 日本标准中对钢节点性能试验（包括循环加载）有详细规定。

这些标准详细规定了试件设计、加载装置、加载制度（位移幅值、循环次数、加载速率）、测量方法（传感器精度、布置位置）、数据采集要求以及结果处理（包括如何确定屈服点、峰值点、计算割线刚度、切线刚度、等效刚度和评估刚度退化等）的具体要求，确保测试结果的可靠性和可比性。

综上所述，屈服后刚度检测是评估结构构件在极端荷载下延性和安全储备的核心手段。通过严谨的拟静