钢筋混凝土框架结构地震主要失效模式分析与优化

发布时间：2018-12-14 05:25

【摘要】：地震灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一,具有极强的随机性,不可预测性和大范围的波及性,严重威胁着人类社会的生存和社会的发展。近年来频繁发生的地震使得建筑结构大量破坏,导致大量的人员伤亡和严重的经济损失。地震动强度和特性的随机性对结构的抗震性能提出了更高的要求。传统的结构抗震设计主要采用基于等效静力的线弹性分析方法,不能很好的考虑结构屈服后的受力状态和整体破坏机制,结构的材料性能未能得到充分发挥,进而出现不可预期和不可控的局部失效模式或薄弱层失效模式,最终使得结构在强震下的抗震性能未达到最优,不能有效抵抗未来潜在地震灾害。因此,通过对结构的地震失效模式进行分析和优化来提升结构的整体抗震性能具有重要的意义。本文以钢筋混凝土框架结构作为主要载体,重点聚焦地震主要失效模式分析、结构等损伤优化和最优地震失效模式设计方法,主要研究了以下内容:(1)由于地震作用的随机性,结构的地震失效模式具有多样性,采用多个侧力模式的Pushover分析可以识别出结构的主要地震失效模式和其对应的失效路径。失效路径中不同位置的构件损伤大小不同,且处于路径最前面的构件损伤最大。综合考虑构件在不同侧力模式下的失效概率和失效路径,提出了通过加强结构局部构件来改善结构地震失效模式的方法,并通过算例分析来验证了所提方法的有效性。(2)针对强震下结构的抗震响应未能均匀分布、结构损伤出现集中、结构材料性能未能得到充分发挥的现象,采用连续模态Pushover方法来获得结构的抗震响应,以结构的层间侧移均匀化为目标,以梁柱构件配筋为设计变量,以等材料造价和最大/小配筋率为约束条件,提出了基于非线性静力分析的结构等损伤优化设计方法。通过算例分析研究了本文方法在控制结构层间侧移、梁柱转角及耗能机制方面的有效性。(3)针对不同地震输入引起结构地震失效模式的差异,分别考虑单一地震输入和多地震输入,以结构的层间位移角最小为目标,以梁柱构件截面尺寸和截面配筋为优化变量,以最大/最小配筋率、梁柱相对刚度比和材料成本增加比为约束条件,提出了可直接考虑构件损伤大小的梁柱优化设计方法。通过算例分析研究了结构在单一地震输入和多地震输入下的优化效率、结构层间侧移的降低效果和不同强度地震下本文优化方法的有效性。(4)以我国建筑抗震设计规范反应谱为目标谱,采用无约束的非线性最小二乘方法合成了耐震加速度时程曲线,并以此作为输入研究了单自由度弹性体系和弹塑性体系的抗震响应分析,包括阻尼比的依懒性、非线性位移响应和滞回耗能分析;系统研究了钢筋混凝土框架结构在不同强度下的顶点位移响应、基底剪力响应、最大层间位移角响应和滞回耗能分析,并与大量天然地震动响应进行对比;研究了结构在大震下的层间位移角分布和楼层剪力分布。研究了在耐震加速度时程输入下结构的塑性铰出现概率和梁柱转角分布及大小,探讨了耐震时程法应用于结构的失效模式分析的可行性。(5)采用“强柱弱梁”整体失效模式作为结构设计的目标模式,考虑结构不同模态的地震输入能量和结构滞回特性差异对耗能能力的影响,提出了修正的能量平衡方程;由于不同结构具有不同的滞回特性和能量耗散能力,发展了滞回耗能修正系数来考虑非弹性应变能的差异;评估了已有塑性设计方法的有效性,并在此基础上发展了基于能量平衡的塑性设计方法来实现结构的整体失效模式。采用基于能量平衡的塑性设计方法来设计结构,并与规范设计结构进行全面对比分析。评估了具有不同几何配置的结构采用基于能量平衡的塑性设计方法来实现结构整体失效模式的有效性和可行性。由于按照传统规范设计的RC框架结构不能确保其在强震下出现“强柱弱梁”整体失效模式,在保持梁截面设计不变以表征结构的自重作用和设防地震作用的前提下,采用塑性内力计算中的“柱树”方法对结构柱进行重新设计来实现结构的“强柱弱梁”整体失效模式。对两个规范设计结构进行重新设计,分析表明本方法可实现结构的“强柱弱梁”整体失效模式。(6)为充分发挥防屈曲支撑稳定的耗能能力,将防屈曲支撑添加进RC框架中形成双重抗侧力体系。为实现该结构的“强柱弱梁”整体失效模式,将上述(5)中发展的基于能量平衡的塑性设计方法拓展到此体系中。首先将结构体系离散成纯框架体系和纯支撑体系,进而推导出总结构的屈服位移,再根据能量平衡获得的结构设计剪力进行防屈曲支撑的截面设计,最后根据支撑作用在框架上的内力和框架的塑性内力来完成梁柱截面设计。通过对两个结构的设计和分析表明该方法能实现结构的“强柱弱梁”整体失效模式,这为基于能量平衡的塑性设计方法在其它双重抗侧力体系中的应用提供了重要参考和借鉴。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU375.4
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本文编号：2378007