發(fā)布時間：2018-12-14 05:25

【摘要】：地震災害是人類面臨的最嚴重的自然災害之一,具有極強的隨機性,不可預測性和大范圍的波及性,嚴重威脅著人類社會的生存和社會的發(fā)展。近年來頻繁發(fā)生的地震使得建筑結構大量破壞,導致大量的人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失。地震動強度和特性的隨機性對結構的抗震性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的結構抗震設計主要采用基于等效靜力的線彈性分析方法,不能很好的考慮結構屈服后的受力狀態(tài)和整體破壞機制,結構的材料性能未能得到充分發(fā)揮,進而出現(xiàn)不可預期和不可控的局部失效模式或薄弱層失效模式,最終使得結構在強震下的抗震性能未達到最優(yōu),不能有效抵抗未來潛在地震災害。因此,通過對結構的地震失效模式進行分析和優(yōu)化來提升結構的整體抗震性能具有重要的意義。本文以鋼筋混凝土框架結構作為主要載體,重點聚焦地震主要失效模式分析、結構等損傷優(yōu)化和最優(yōu)地震失效模式設計方法,主要研究了以下內容:(1)由于地震作用的隨機性,結構的地震失效模式具有多樣性,采用多個側力模式的Pushover分析可以識別出結構的主要地震失效模式和其對應的失效路徑。失效路徑中不同位置的構件損傷大小不同,且處于路徑最前面的構件損傷最大。綜合考慮構件在不同側力模式下的失效概率和失效路徑,提出了通過加強結構局部構件來改善結構地震失效模式的方法,并通過算例分析來驗證了所提方法的有效性。(2)針對強震下結構的抗震響應未能均勻分布、結構損傷出現(xiàn)集中、結構材料性能未能得到充分發(fā)揮的現(xiàn)象,采用連續(xù)模態(tài)Pushover方法來獲得結構的抗震響應,以結構的層間側移均勻化為目標,以梁柱構件配筋為設計變量,以等材料造價和最大/小配筋率為約束條件,提出了基于非線性靜力分析的結構等損傷優(yōu)化設計方法。通過算例分析研究了本文方法在控制結構層間側移、梁柱轉角及耗能機制方面的有效性。(3)針對不同地震輸入引起結構地震失效模式的差異,分別考慮單一地震輸入和多地震輸入,以結構的層間位移角最小為目標,以梁柱構件截面尺寸和截面配筋為優(yōu)化變量,以最大/最小配筋率、梁柱相對剛度比和材料成本增加比為約束條件,提出了可直接考慮構件損傷大小的梁柱優(yōu)化設計方法。通過算例分析研究了結構在單一地震輸入和多地震輸入下的優(yōu)化效率、結構層間側移的降低效果和不同強度地震下本文優(yōu)化方法的有效性。(4)以我國建筑抗震設計規(guī)范反應譜為目標譜,采用無約束的非線性最小二乘方法合成了耐震加速度時程曲線,并以此作為輸入研究了單自由度彈性體系和彈塑性體系的抗震響應分析,包括阻尼比的依懶性、非線性位移響應和滯回耗能分析;系統(tǒng)研究了鋼筋混凝土框架結構在不同強度下的頂點位移響應、基底剪力響應、最大層間位移角響應和滯回耗能分析,并與大量天然地震動響應進行對比;研究了結構在大震下的層間位移角分布和樓層剪力分布。研究了在耐震加速度時程輸入下結構的塑性鉸出現(xiàn)概率和梁柱轉角分布及大小,探討了耐震時程法應用于結構的失效模式分析的可行性。(5)采用“強柱弱梁”整體失效模式作為結構設計的目標模式,考慮結構不同模態(tài)的地震輸入能量和結構滯回特性差異對耗能能力的影響,提出了修正的能量平衡方程;由于不同結構具有不同的滯回特性和能量耗散能力,發(fā)展了滯回耗能修正系數(shù)來考慮非彈性應變能的差異;評估了已有塑性設計方法的有效性,并在此基礎上發(fā)展了基于能量平衡的塑性設計方法來實現(xiàn)結構的整體失效模式。采用基于能量平衡的塑性設計方法來設計結構,并與規(guī)范設計結構進行全面對比分析。評估了具有不同幾何配置的結構采用基于能量平衡的塑性設計方法來實現(xiàn)結構整體失效模式的有效性和可行性。由于按照傳統(tǒng)規(guī)范設計的RC框架結構不能確保其在強震下出現(xiàn)“強柱弱梁”整體失效模式,在保持梁截面設計不變以表征結構的自重作用和設防地震作用的前提下,采用塑性內力計算中的“柱樹”方法對結構柱進行重新設計來實現(xiàn)結構的“強柱弱梁”整體失效模式。對兩個規(guī)范設計結構進行重新設計,分析表明本方法可實現(xiàn)結構的“強柱弱梁”整體失效模式。(6)為充分發(fā)揮防屈曲支撐穩(wěn)定的耗能能力,將防屈曲支撐添加進RC框架中形成雙重抗側力體系。為實現(xiàn)該結構的“強柱弱梁”整體失效模式,將上述(5)中發(fā)展的基于能量平衡的塑性設計方法拓展到此體系中。首先將結構體系離散成純框架體系和純支撐體系,進而推導出總結構的屈服位移,再根據(jù)能量平衡獲得的結構設計剪力進行防屈曲支撐的截面設計,最后根據(jù)支撐作用在框架上的內力和框架的塑性內力來完成梁柱截面設計。通過對兩個結構的設計和分析表明該方法能實現(xiàn)結構的“強柱弱梁”整體失效模式,這為基于能量平衡的塑性設計方法在其它雙重抗側力體系中的應用提供了重要參考和借鑒。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU375.4
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本文編號：2378007