【摘要】：地震災(zāi)害是人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,具有極強的隨機性,不可預(yù)測性和大范圍的波及性,嚴(yán)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(jié)構(gòu)大量破壞,導(dǎo)致大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。地震動強度和特性的隨機性對結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(jié)構(gòu)屈服后的受力狀態(tài)和整體破壞機制,結(jié)構(gòu)的材料性能未能得到充分發(fā)揮,進而出現(xiàn)不可預(yù)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(jié)構(gòu)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(zāi)害。因此,通過對結(jié)構(gòu)的地震失效模式進行分析和優(yōu)化來提升結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為主要載體,重點聚焦地震主要失效模式分析、結(jié)構(gòu)等損傷優(yōu)化和最優(yōu)地震失效模式設(shè)計方法,主要研究了以下內(nèi)容:(1)由于地震作用的隨機性,結(jié)構(gòu)的地震失效模式具有多樣性,采用多個側(cè)力模式的Pushover分析可以識別出結(jié)構(gòu)的主要地震失效模式和其對應(yīng)的失效路徑。失效路徑中不同位置的構(gòu)件損傷大小不同,且處于路徑最前面的構(gòu)件損傷最大。綜合考慮構(gòu)件在不同側(cè)力模式下的失效概率和失效路徑,提出了通過加強結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件來改善結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震響應(yīng)未能均勻分布、結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)集中、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震響應(yīng),以結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移均勻化為目標(biāo),以梁柱構(gòu)件配筋為設(shè)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(jié)構(gòu)等損傷優(yōu)化設(shè)計方法。通過算例分析研究了本文方法在控制結(jié)構(gòu)層間側(cè)移、梁柱轉(zhuǎn)角及耗能機制方面的有效性。(3)針對不同地震輸入引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的層間位移角最小為目標(biāo),以梁柱構(gòu)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(gòu)件損傷大小的梁柱優(yōu)化設(shè)計方法。通過算例分析研究了結(jié)構(gòu)在單一地震輸入和多地震輸入下的優(yōu)化效率、結(jié)構(gòu)層間側(cè)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(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜為目標(biāo)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(yīng)分析,包括阻尼比的依懶性、非線性位移響應(yīng)和滯回耗能分析;系統(tǒng)研究了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同強度下的頂點位移響應(yīng)、基底剪力響應(yīng)、最大層間位移角響應(yīng)和滯回耗能分析,并與大量天然地震動響應(yīng)進行對比;研究了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)概率和梁柱轉(zhuǎn)角分布及大小,探討了耐震時程法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)模式,考慮結(jié)構(gòu)不同模態(tài)的地震輸入能量和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)變能的差異;評估了已有塑性設(shè)計方法的有效性,并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于能量平衡的塑性設(shè)計方法來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體失效模式。采用基于能量平衡的塑性設(shè)計方法來設(shè)計結(jié)構(gòu),并與規(guī)范設(shè)計結(jié)構(gòu)進行全面對比分析。評估了具有不同幾何配置的結(jié)構(gòu)采用基于能量平衡的塑性設(shè)計方法來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(shè)計的RC框架結(jié)構(gòu)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(shè)計不變以表征結(jié)構(gòu)的自重作用和設(shè)防地震作用的前提下,采用塑性內(nèi)力計算中的“柱樹”方法對結(jié)構(gòu)柱進行重新設(shè)計來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的“強柱弱梁”整體失效模式。對兩個規(guī)范設(shè)計結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計,分析表明本方法可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(cè)力體系。為實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)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(shè)計方法拓展到此體系中。首先將結(jié)構(gòu)體系離散成純框架體系和純支撐體系,進而推導(dǎo)出總結(jié)構(gòu)的屈服位移,再根據(jù)能量平衡獲得的結(jié)構(gòu)設(shè)計剪力進行防屈曲支撐的截面設(shè)計,最后根據(jù)支撐作用在框架上的內(nèi)力和框架的塑性內(nèi)力來完成梁柱截面設(shè)計。通過對兩個結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析表明該方法能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的“強柱弱梁”整體失效模式,這為基于能量平衡的塑性設(shè)計方法在其它雙重抗側(cè)力體系中的應(yīng)用提供了重要參考和借鑒。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU375.4
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本文編號：2378007