基于地震能量输入历程的RC框架损伤研究

发布时间：2019-12-06 14:59

【摘要】：性能化设计是目前工程设计领域的一个热点话题，在基于性能的抗震设计中，性能目标的确定是整个设计的基础与关键，即如何定义一组有限的破坏状态，而对结构的损伤提出一个可以量化的指标是实现这一基础与关键的前提。论文以国家自然科学基金项目“基于地震波非平稳能量特征的RC框架结构损伤量化研究”为依托，以地震波能量输入历程特征为依据，着重在以下几个方面进行研究工作： 1．地震波的复杂之处在于它的非平稳特性，而该特性可以被理解为地震动能量在频域和时域上的不均匀分布，不均匀分布中的能量集中对结构响应非常不利。小波分析由于其良好的局部化特性和弹性的时一频窗特点，被广泛应用于地震波模拟、工程振动的响应分析等领域中。本文从地震能量分析入手，阐述了应用小波工具计算地震波能量的方法，并提出了平均能量密度的概念。通过对台湾1999年集集地震中130条地震波的统计，得到了地震频带平均能量密度，有效持时等参数与场地土、震中距及分布时间的统计关系。 2．以瞬时输入能量在时间轴上的分布特征（瞬时输入能量时变特征）来描述地震能量输入历程的特点，提出了一种能够模拟瞬时输入能量时变特征的数学模型。建立了瞬时输入能量时变特征与结构总输入能、最大瞬时输入能及瞬时输入能反应持时三个参数的关系。通过数学推导得到了线性单自由度结构体系基于能量参数的结构位移历程求解方法。56条波算例对比分析表明该方法在模拟弹性结构的幅值反应和持时反应上具有较好的准确性，同时利用模拟的瞬时输入能时变特征也能延伸应用于多层弹性结构体系的分析。 3．以弹塑性结构体系为对象，讨论了单自由度结构延性系数及多自由度结构塑性发展程度对总输入能、最大瞬时输入能以及能量增长持时三个地震能量输入历程特征参数的影响。提出了根据结构弹性总输入能量谱、最大瞬时输入能量谱及弹性能量增长持时谱求得具有不同延性系数弹塑性结构三参数谱的方法。 4．根据以往结构损伤模型的优缺点，，提出了一种既能够描述结构地震损伤位移首超破坏又能够描述结构累积损伤破坏的损伤模型。并采用统计学方法讨论了总输入能、最大瞬时输入能、能量增长持时、延性系数、名义强振次数以及最大瞬时输入能比6个参数与结构位移损伤、退化损伤、总损伤以及位移损伤比之间的相互关系。 5．基于本文提出的损伤模型并利用拟力法为工具，结构能量指标为桥梁提出了一种确定结构的局部损伤及整体损伤的估计方法。通过一个单层单跨的算例分析表明地震过程中形成的塑性铰损伤是框架结构地震损伤的根源，因此，控制塑性铰区域在地震往复作用下的强度衰减，减小塑性铰区域在震后的塑性转动量是控制钢筋混凝土框架结构地震损伤的关键。 6．以结构输入能历程特征的数学描述模式为基础，通过建立结构变形能耗散历程的简化描述模型，并基于该简化模型对结构进行往复推覆分析。分析表明基于变形能耗散历程的往复推覆分析方法在描述结构地震损伤主要参数时具有较好的准确性。通过对无损结构与已损结构分别进行单向推覆分析来替代结构动力时程分析，从而获得结构损伤求解的简化方法。
【图文】：

量化模型,基本特征

大多以结构在地震作用下的弹塑性效应与抗力间的相对关系来描述结构的损伤（图1.2），模型的合理性取决于这种描述与结构损伤机理间的统一性，即能否综合反映地震动强度、持时和频谱特性对结图 1.2 损伤量化模型的基本特征7

示意图,地震波能量,时频分布,示意图

图 1.3 地震波能量时频分布示意图图 1.4 地震波能量衰减简化模型5 结构损伤量化研究近年来随着小波分析理论在地震工程中的应用[50~54]，研究者们逐渐认识到波的复杂之处在于它的非平稳特性，该特性可以理解为地震能量在频率和时的不均匀分布[25][55]（图 1.3），因此，可以从地震波能量的分布特征来理解运动参数的特点。研究表明，能量峰值（图 1.3 中的尖点）是导致结构发生位移的本质原因[25]，这可以理解为该时刻高量值的能量脉冲所致，那么能量沿时间轴的衰减过程必然影响结构的反应历程（图 1.4）。因此，地震波的效应可以理解为地震能量沿时间轴的衰减过程，但由于能量在频率轴上的不分布，不同频率上的能量衰减规律有所不同，即地震波的持时效应是一个与有关的变量。地震波的频谱特性则决定了能量峰值出现的频率段，而调幅是改变能量时频分布模式的前提下调整地震波的能量强度。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU375.4

【参考文献】