损伤可控结构的地震反应分析及设计方法研究

发布时间：2020-01-26 20:22

【摘要】：地震作为突发性自然灾害,往往会造成巨大的人员伤亡和经济损失。面对这些损失,地震学(Seismology)和地震工程学(Earthquake Engineering)从不同的方向发展新理论和新技术来减小地震带来的灾难和破坏,由此推动了抗震设计方法的不断进步。我国现行《抗震规范》(GB 50011—2010)采用“三水准设防、两阶段设计”方法,即通过小震弹性设计和大震位移验算来保证结构“小震不坏”和“大震不倒”。但对于“中震可修”,规范没有给出相应设计方法,无法定量保证结构在地震作用后的可修复性。而对于一些重大工程,如电力、通讯、供水、供气等生命线工程,不仅要求地震发生时是安全的,更重要的是,要求震后有一定程度的继续使用功能并且能够快速修复。大量的研究表明现有的钢筋混凝土(RC)结构要实现良好的震后可修复性有难度,要真正实现结构可修复性还需要从新型结构开发进行研究。在这种情况下提出损伤可控结构,即在地震等灾害作用下结构损伤不会过度发展,灾后能在合理的技术条件和经济条件下经过修复即可恢复其预期功能的结构。本文以结构震后可修复性为出发点,以损伤可控结构为研究对象,对其地震反应和设计方法进行了相关研究。首先,提出能够反映结构可修复性及损伤可控性能的指标,建立结构可修复性定量评价指标体系；然后,分别以单自由度体系和多自由度体系模型为例,通过大量的数值分析,重点研究屈服后刚度、延性、残余变形等参数之间的关系,提出残余位移计算方法；最后,围绕损伤可控结构,把现阶段规范的“三水准设防,两阶段设计”发展成为更合理的“三水准设防,三阶段设计”抗震方法,详细内容总结如下：本文首先阐述了结构可修复性与损伤可控结构之间的关系,提出了结构震后可修复性评价技术指标和经济指标,形成了损伤可控结构评价指标体系。指标体系中的技术指标规定了损伤可控结构的性能评价,发现单独采用传统的损伤指标(例如最大位移)无法满足损伤可控结构性能评价要求,还必须增加震后残余位移指标共同对损伤可控结构进行评价。指标框架中的经济指标则规定了结构初期投资-损失、修复-重建的决策关系。在此基础上,通过大量的文献调研,总结、评价了现有的损伤可控结构实现方法。基于所提出的损伤可控指标框架,本文对现有关于残余位移的研究进行了文献调研,总结了关于残余位移的影响因素的分析结果,发现虽然由于研究方法、模型差异导致了各不相同的结论,但是在复杂结果中所有研究都一致认为屈服后刚度是影响残余位移的关键因素,提高屈服后刚度对减小结构震后残余位移效果明显。因此本文对屈服后刚度影响残余位移的内在机制进行了研究,发现提升屈服后刚度之后,结构在地震作用下正向和负向的屈服机制发生改变,屈服后刚度越高,结构在两个方向屈服持时越接近,因此使残余位移越小。在理解了屈服后刚度对残余位移影响的内在机理后,本文还对不同参数的双折线单自由度体系、多自由度体系在大量地震动作用下的残余位移响应进行分析,发现屈服后刚度、周期和场地条件是影响残余位移的最主要因素,而多自由度体系P-△效应对残余位移角的影响也不能忽视。通过对大量分析结果的统计分析,得出了适合中国规范使用的残余位移谱。考虑到对超高、大跨等长周期模型,通常都需要进行时程分析,并且在对单/多自由度体系残余位移的研究中发现地震动输入导致的最大弹塑性位移和残余位移离散性较大,因此本文对考虑最大弹塑性位移和残余位移响应的时程分析地震动输入选择进行了研究。考察了多个地震动强度指标与位移指标之间的相关性,发现地震强度指标总体可以分为加速度型强度指标、速度型强度指标和位移型强度指标三大类。并且当同时考虑残余位移和最大位移时,对于中长周期结构采用峰值速度指标明显优于规范规定的峰值加速度指标。在前述对损伤可控指标框架中残余位移指标系统研究的基础上,本文还提出了可以考虑设防地震作用下最大弹塑性位移和残余位移双参数控制的“三水准设防、三阶段设计”方法,通过算例表明可以利用现有的弹塑性位移谱和本文提出的残余位移谱进行第二水准设计。算例设计进一步证明了对于普通RC结构进行残余位移验算的重要性,并且发现对于普通混凝土结构,简单的增加其强度难以有效减小结构的残余位移。综上,可以发现本文的创新工作主要包括：建立了损伤可控结构定量评价指标体系,发现了屈服后刚度影响结构残余位移的内在机理,对单/多自由度体系在大量地震动作用下的残余位移响应进行了系统分析,并且提出了残余位移指标的相关计算方法,提出了综合考虑最大弹塑性位移和残余位移的时程分析地震动选择方法,并且在此基础上建立损伤可控结构“三水准设防,三阶段设计”抗震设计方法。
【图文】：

示意图,结构抗震设计,示意图,大震不倒

通过构造措施来保证，并没有给出具体的设计指标和设计方法。事实上，Ｗ结构位移为逡逑指标，结构在＂小震不坏＂和＂大震不倒＂之间很大的一块区域属于结构＂中震可修＂逡逑阶段，如图１－１所示。逡逑Ｖ逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑使用阶段Ｉ逦损伤控制阶段逦ｉ逦极限阶段逦ｉ逡逑？—逦＊逦＊逦４逡逑（小震不坏）ｉ逦（中震可修）逦Ｉ逦（大震不倒）逦！逡逑＾逦ｊ－逦邋！逡逑＾逦ｉ逦极限逡逑／［逦１逦（不倒＾逦＼逡逑Ｖｙｆ邋＼逦１逦ｉ逦ｉ逦＼逡逑７邋Ｉ邋Ｗ）了邋ｉ邋Ｊ邋Ｉ逡逑户叫邋ｍｍ邋Ｉ逡逑０邋＾＾＾Ｊ逡逑０逡逑图１－１结构抗震设计示意图逡逑２逡逑

滞回特性,动力分析,混凝

（理想弹塑性模型ＥＰ、Ｔａｋｅｄａ模型ＴＫ、旗帖模型ＦＳ）的混凝止柱，在相同地震作用逡逑下，模型最大位移响应基本相同，均在１６２．６／ｗ？７￣ｎ５．７７ｗｗ之间，而残余变形相差很大，逡逑最小的接近于Ｏｗｍ，最大的达到４４．４／ｗｎ邋（如图１－２）。对于震后修复工程来说，残余位逡逑移的大小将直接影响修复的技术难度和经济投入。逡逑２（Ｋ）邋Ｉ逦！逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑｜ＥＰ１７Ｌ８ｍｍ逡逑Ｆ＊Ｓ邋１７５．７邋＾ｌｒａク）ｊ逦，邋４邋ｆｔ邋Ａ邋？逦ＥＰ邋４４．４邋ｍｍ．逡逑Ｉ邋ｌＯＯ－ＴＫｌ拉．６姦／邋ｊ邋ｊｙ逦ｙ逦ＴＫ１７．６ｍｍ＼逡逑鲁逦甲甲３逦ＦＳＯ．Ｏｍｍ／逡逑０－１００－邋ｙ邋＇逦－逡逑＞逦０逦５逦１０逦１５逦２０逦２５逦３０邋始邋４０逦４５逡逑Ｔｉｍｅ邋巧逡逑图１－２不同滞回特性化Ｐ、化、ＦＳ）的混凝±柱动力分析逡逑１N３研究地震作用下结构可恢复性的重要意义逡逑结构的可修复性是指结构在受到地震作用损伤之后，能在可承受的技术条件和经济逡逑条件下被修复的能力。一些重大工程，，如电为、通讯、供水、供气等生命线工程，ｔｕ及逡逑易燃、易爆、有毒设施等重要工程，不仅要求地震发生时是安全的，更重要的是，要求逡逑震后有一定程度的继续使用功能并且能够快速修复。特别是，现在经济发展越来越依赖逡逑于连接城市间的公路铁路桥梁和城市内的立交桥等交通枢纽，地震作用下交通枢纽的破逡逑坏或者震后重建工作的耽误，不仅会使城市遭受严重的破坏、造成重大的人员伤亡和直逡逑３逡逑
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU311.3

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