第 1 章   緒論 

1.1   引言 
在十一屆三中全會之后，我國的經(jīng)濟建設發(fā)展飛速，人民的生活質(zhì)量、水平不斷提升，城市建設的進程也越來越快。土木工程領域所使用的新型材料、構(gòu)件形式不斷被研究發(fā)現(xiàn)，其中鋼結(jié)構(gòu)所占比例逐漸增大。鋼結(jié)構(gòu)作為土木工程行業(yè)的一種主要結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其塑性和韌性、輕質(zhì)高強表現(xiàn)突出，抗震性能好、可做預制構(gòu)件、安拆方便、綠色環(huán)保等被大量運用到土木工程的各個領域[1]。然而，在鋼結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展的同時，各類鋼結(jié)構(gòu)工程也會由于無法抵抗外界荷載，達到其極限承載力而發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，嚴重威脅人民生命安全。造成事故的原因有很多，或是由于地震、火災、冰雪等自然災害的作用，亦或是由于施工安裝、設計、使用過程中對框架結(jié)構(gòu)造成損害而造成鋼結(jié)構(gòu)工程事故[2]。 受損的鋼框架結(jié)構(gòu)在今后繼續(xù)使用或是承受地震等災難荷載作用下能否滿足結(jié)構(gòu)的正常使用，是人們最為關(guān)注的問題。針對鋼框架結(jié)構(gòu)的使用特性和特點，根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)本身的損傷程度，對其受力性能進行深入研究，提出科學的框架結(jié)構(gòu)計算方法，并為人們的合理決策提供科學依據(jù)。通過對既有鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能進行的準確分析與評估，進而保證框架結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)人民生命財產(chǎn)安全。 目前，對于存在損傷的既有鋼結(jié)構(gòu)的安全鑒定、評估等方面的研究相對較少，處于初始階段，在很多研究領域仍是空白。常用的鋼結(jié)構(gòu)框架的檢測與鑒定并沒有基于基本標準《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》[12]進行可靠性理論分析，而是參照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[13]中的相關(guān)要求，僅從節(jié)點和構(gòu)件的層次去鑒定評估，結(jié)合權(quán)重系數(shù)等方法分析結(jié)構(gòu)的整體可靠性，片面的研究方法難以真實的反應鋼結(jié)構(gòu)的實際受力性能[2]。 計算機領域的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)計算分析的水平也不斷提高，國際上對于鋼結(jié)構(gòu)的研究也越來越多[12~14]。對既有鋼框架結(jié)構(gòu)的安全鑒定從結(jié)構(gòu)體系方面進行分析評估必將是今后鋼結(jié)構(gòu)領域的發(fā)展趨勢，符合國家防震減災的方針政策，也有利于對人們的生命財產(chǎn)安全進行保護[2]。 為此，本文主要通過對鋼結(jié)構(gòu)進行損傷性能分析。提出通過減小鋼框架構(gòu)件的截面來模擬既有鋼框架結(jié)構(gòu)受損，建立有限元模型進行分析，并進行鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型來驗證有限元軟件分析結(jié)果的有效性。
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1.2   選題的意義 
歷次大地震的發(fā)生，都會導致一些結(jié)構(gòu)的倒塌。而結(jié)構(gòu)的倒塌直接造成人民生命和財產(chǎn)的巨大損失。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球平均一年有十余次大地震發(fā)生。在我國，2008 年汶川地震的傷口仍然隱隱作痛，其造成了 10 余萬人的傷亡，經(jīng)濟上的損失更是慘重；20 世紀末的日本阪神地震，大量的建筑物、構(gòu)筑物、基礎設施多達 30 處發(fā)生倒塌，多達六千多人死亡，其中 3/4 的人民是讓倒塌的建筑物壓死的，經(jīng)濟損失達到一千億美金。 我國的很多地區(qū)處于地震帶，新中國成立后兩次大地震——唐山大地震和汶川大地震，對我們的人員財產(chǎn)造成了極大的損失，使我們對地震有了更加深刻的認識，這些都使得我們必須對地震作用下結(jié)構(gòu)的倒塌問題進行深刻的研究[3]。 從改革開放至今，隨著鋼框架結(jié)構(gòu)在土木工程領域的廣泛使用已有 20~30 年的歷史，建筑材料、構(gòu)件受到的微觀以至宏觀的損傷均與所承受的荷載、溫度變化、化學和環(huán)境的作用密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)在整個全壽命周期中，或多或少都會受到各種因素的影響，比如構(gòu)件安裝過程中操作造成的影響，焊接缺陷，地震、強風等的作用，造成結(jié)構(gòu)某些部位出現(xiàn)損傷。既有鋼框架結(jié)構(gòu)可能會遭受以上各種不利因素的影響，存在損傷的鋼框架結(jié)構(gòu)在繼續(xù)使用的過程中，其受損部位會隨著時間的增加、荷載的持續(xù)作用不斷加劇從而導致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，將其稱之為損傷累計破壞[10]。 既有建筑物、構(gòu)筑物受到損傷后必定會對建筑物在今后服役期中的抵抗力和使用年限造成重大影響。結(jié)構(gòu)受到損傷后并不斷累積是造成建構(gòu)筑物破壞的主要因素。但是，我們之前的研究幾乎不考慮結(jié)構(gòu)損失的累積，，這種情況下鋼結(jié)構(gòu)研究結(jié)果一定是不準確的、片面的。所以，全面正確的對鋼結(jié)構(gòu)損傷進行分析，對鋼結(jié)構(gòu)的大力發(fā)展及推廣具有十分重要的意義[11]。 
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第 2 章   受損截面力學性能研究 

2.1   受損截面加載模量計算方法 

承受彎矩的構(gòu)件在截面受損時，其不同位置的損傷程度均不同。構(gòu)件截面翼緣處的損傷與靠近中和軸的部位的損傷相比更為嚴重。因此將截面的平均彈性模量用來判定構(gòu)件截面是否受損。 對存在損傷的受彎構(gòu)件進行受力分析時，構(gòu)件截面不同部位將產(chǎn)生不同的變形，變形值代入以上相應的公式中，得出各個受損部位的加載彈性模量并利用數(shù)學方法對相應面積處進行積分、平均，即可計算存在損傷的受彎構(gòu)件平均加載彈性模量[2]。采用無損高度比來判斷構(gòu)件截面的損傷情況，將無損高度比與構(gòu)件的損傷程度建立相關(guān)聯(lián)系，并將其分成三個區(qū)間，來判斷截面的受損情況[2]。 

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2.2   無損高度比 K  
  構(gòu)件截面的屈曲僅僅出現(xiàn)在翼緣的邊緣，發(fā)生屈服的截面高度很小。這種情況的損傷并不會造成鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，此時平均彈性模量的降低與無損情況相比變化甚微，幾乎可以忽略不計，將這種狀態(tài)的損傷定義為鋼框架構(gòu)件輕微受損[2]。 當外界荷載的增大，構(gòu)件截面的屈曲范圍不斷增加，腹板和翼緣處均有屈曲發(fā)生，并且變形部分處的加載彈性模量的降低均處于第一階段，即可將變形值代入式（2-2）中，通過計算得到平均加載彈性模量與無損情況相比，下降幅度不是很大，將這種狀態(tài)的損傷定義為嚴重受損[2]。 隨著構(gòu)件屈曲截面的不斷增大，翼緣處加載彈性模量的應用公式與靠近中和軸部分所使用的公式不同，截面加載彈性模量需要采用分段的方式進行計算，將該狀態(tài)定義為極嚴重受損[2]。 因此，僅需對構(gòu)件截面翼緣處全部進入屈曲后的狀態(tài)進行損傷分析。圖 2-1、2-2 為構(gòu)件截面為嚴重、極嚴重損傷的示意圖。 
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第 3 章   結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性 ........11 
3.1   結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特性 ..........11 
3.2   結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性理論 .......11
3.3   動力穩(wěn)定性的判別準則 ........... 12 
3.3.1   Movchan- Lyapunov 第二方法 ............. 12 
3.3.2   B-R 準則........... 12 
3.3.3   Hsu.C.S（許皆蘇）能量準則 ............. 13 
3.3.4   Simitses 勢能準則 ..... 13 
3.4   不同類型結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性研究 ........ 13 
3.5   本章小結(jié) ........ 15 
第 4 章   鋼框架結(jié)構(gòu)動力分析 ............ 17 
4.1   非線性時程分析法 .......... 17
4.2   結(jié)構(gòu)截面損傷后的動力穩(wěn)定性有限元分析 ...... 21 
4.3   本章小結(jié) ........ 28 
第 5 章   鋼框架縮尺模型結(jié)構(gòu)理論及試驗分析 ........... 29 
5.1   試驗儀器與試驗設備 ...... 29
5.2   結(jié)構(gòu)動力試驗模型與原型相似關(guān)系 ......... 29 
5.3   模型結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果分析 ........... 37
5.4   鋼框架模型數(shù)值計算分析 ....... 51 

第 5 章   鋼框架縮尺模型結(jié)構(gòu)理論及試驗分析 

5.1   試驗儀器與試驗設備 
本次試驗在吉林省土木工程抗震減災重點實驗室進行完成。利用 DH3822 動態(tài)應變測試系統(tǒng)（圖 5-1）進行實驗數(shù)據(jù)采集，利用 WS-Z30-50 振動臺進行加載，如圖 5-2。如何得到建筑結(jié)構(gòu)抵抗地震荷載的力學性能以及結(jié)構(gòu)在地震動荷載作用下的破壞原理，是研究領域最為關(guān)注的熱點[23]。隨著計算機運行速率的大大提高，以及各種有限元分析軟件的出現(xiàn)，使復雜結(jié)構(gòu)在地震作用時的動力性能分析成為現(xiàn)實。但是有限元分析軟件對于實際工程材料、構(gòu)件之間的連接的定義還是存在一定的問題。對鋼框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析的結(jié)果，還需利用結(jié)構(gòu)動力模型試驗、大型振動臺試驗校驗其計算結(jié)果的準確性。結(jié)構(gòu)模型試驗既可以單獨使用，也可以與理論結(jié)果進行對比，用來判斷結(jié)構(gòu)的安全性更具有一定的保障[23]。 要使試驗模型與被模擬的原型結(jié)構(gòu)滿足物理力學相似，需要符合幾個方面的相似關(guān)系。即幾何尺寸相似、質(zhì)量和重力相似以及初始條件相似。 
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結(jié)論 

鋼框架結(jié)構(gòu)被大量用于工、民用建筑中。地震作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性是主要的關(guān)注點，提出合理的抗震設計依據(jù)，從而保證人們生命安全。在實際工程中，鋼框架結(jié)構(gòu)在加工制作、安裝、使用過程中會出現(xiàn)不同程度的損傷，由于損傷的出現(xiàn)造成鋼框架結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性降低。因此，對受損框架結(jié)構(gòu)動力性能及穩(wěn)定性判別準則進行研究具有現(xiàn)實意義。經(jīng)過研究，得出以下結(jié)論：      
（1）對于高層建筑結(jié)構(gòu)其判斷動力失穩(wěn)的依據(jù)是第二類動力穩(wěn)定，就是參考B-R 準則的動力穩(wěn)定性判別方法，當荷載幅值的細小增量導致結(jié)構(gòu)特征反向較大時，結(jié)構(gòu)視為動力失穩(wěn)。此時結(jié)構(gòu)所承受的荷載即為結(jié)構(gòu)響應的動力穩(wěn)定性臨界荷載。第二類動力穩(wěn)定性判別準則為本文的研究提供了理論基礎。  
（2）對于結(jié)構(gòu)的損傷，主要是通過削減鋼框架結(jié)構(gòu)截面面積來模擬結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)構(gòu)不同部位的損傷對鋼框結(jié)構(gòu)在承受本地區(qū)多遇、罕遇地震荷載作用時能否保證鋼框架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性為目前急迫需要研究的問題。 
（3）本文對一鋼框架進行動力時程分析，對四種不同工況的鋼框架結(jié)構(gòu)運行結(jié)果進行處理，得出鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生動力失穩(wěn)的臨界力。將結(jié)構(gòu)損傷考慮在內(nèi)，其所承受的地震極限荷載將大幅降低，結(jié)構(gòu)反應更大，更容易發(fā)生失穩(wěn)。柱底以及一、二柱翼緣處受損傷，結(jié)構(gòu)所能承受的極限地震載荷越小。 
（4）制作鋼框架結(jié)構(gòu)試驗模型，利用振動臺為其提供 E-L 地震波荷載，通過動態(tài)應變采集各層梁柱不同位置處的應變；以及通過加速度傳感器輸出各層加速度來計算響應測點應力應變值，將實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)進行比較，各測點數(shù)值較為接近，試驗數(shù)據(jù)具有較高的真實性。 
（5）運用有限元分析軟件建立相應的鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型，在不同等級荷載作用下對各測點應力、應變數(shù)據(jù)進行整理，與試驗數(shù)據(jù)進行對比并相互進行驗證，得出有限元分析軟件能夠有效的對鋼框架結(jié)構(gòu)進行損傷模擬，為工程實例提供理論依據(jù)。 
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參考文獻(略)

本文編號：368880