第 1 章   緒論 

1.1   引言 
在十一屆三中全會(huì)之后，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展飛速，人民的生活質(zhì)量、水平不斷提升，城市建設(shè)的進(jìn)程也越來(lái)越快。土木工程領(lǐng)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(qiáng)表現(xiàn)突出，抗震性能好、可做預(yù)制構(gòu)件、安拆方便、綠色環(huán)保等被大量運(yùn)用到土木工程的各個(gè)領(lǐng)域[1]。然而，在鋼結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展的同時(shí)，各類鋼結(jié)構(gòu)工程也會(huì)由于無(wú)法抵抗外界荷載，達(dá)到其極限承載力而發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，嚴(yán)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(zāi)、冰雪等自然災(zāi)害的作用，亦或是由于施工安裝、設(shè)計(jì)、使用過(guò)程中對(duì)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(zāi)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(wèn)題。針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的使用特性和特點(diǎn)，根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)本身的損傷程度，對(duì)其受力性能進(jìn)行深入研究，提出科學(xué)的框架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，并為人們的合理決策提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)既有鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行的準(zhǔn)確分析與評(píng)估，進(jìn)而保證框架結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。 目前，對(duì)于存在損傷的既有鋼結(jié)構(gòu)的安全鑒定、評(píng)估等方面的研究相對(duì)較少，處于初始階段，在很多研究領(lǐng)域仍是空白。常用的鋼結(jié)構(gòu)框架的檢測(cè)與鑒定并沒(méi)有基于基本標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)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(yàn)收規(guī)范》[13]中的相關(guān)要求，僅從節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的層次去鑒定評(píng)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(shí)的反應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力性能[2]。 計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的水平也不斷提高，國(guó)際上對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的研究也越來(lái)越多[12~14]。對(duì)既有鋼框架結(jié)構(gòu)的安全鑒定從結(jié)構(gòu)體系方面進(jìn)行分析評(píng)估必將是今后鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，符合國(guó)家防震減災(zāi)的方針政策，也有利于對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全進(jìn)行保護(hù)[2]。 為此，本文主要通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷性能分析。提出通過(guò)減小鋼框架構(gòu)件的截面來(lái)模擬既有鋼框架結(jié)構(gòu)受損，建立有限元模型進(jìn)行分析，并進(jìn)行鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型來(lái)驗(yàn)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(huì)導(dǎo)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(cái)產(chǎn)的巨大損失。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球平均一年有十余次大地震發(fā)生。在我國(guó)，2008 年汶川地震的傷口仍然隱隱作痛，其造成了 10 余萬(wàn)人的傷亡，經(jīng)濟(jì)上的損失更是慘重；20 世紀(jì)末的日本阪神地震，大量的建筑物、構(gòu)筑物、基礎(chǔ)設(shè)施多達(dá) 30 處發(fā)生倒塌，多達(dá)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(jì)損失達(dá)到一千億美金。 我國(guó)的很多地區(qū)處于地震帶，新中國(guó)成立后兩次大地震——唐山大地震和汶川大地震，對(duì)我們的人員財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失，使我們對(duì)地震有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，這些都使得我們必須對(duì)地震作用下結(jié)構(gòu)的倒塌問(wèn)題進(jìn)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(lǐng)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(xué)和環(huán)境的作用密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)在整個(gè)全壽命周期中，或多或少都會(huì)受到各種因素的影響，比如構(gòu)件安裝過(guò)程中操作造成的影響，焊接缺陷，地震、強(qiáng)風(fēng)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(huì)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(guò)程中，其受損部位會(huì)隨著時(shí)間的增加、荷載的持續(xù)作用不斷加劇從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，將其稱之為損傷累計(jì)破壞[10]。 既有建筑物、構(gòu)筑物受到損傷后必定會(huì)對(duì)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(zhǔn)確的、片面的。所以，全面正確的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行分析，對(duì)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(xué)性能研究 

2.1   受損截面加載模量計(jì)算方法 

承受彎矩的構(gòu)件在截面受損時(shí)，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(yán)重。因此將截面的平均彈性模量用來(lái)判定構(gòu)件截面是否受損。 對(duì)存在損傷的受彎構(gòu)件進(jìn)行受力分析時(shí)，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(yīng)的公式中，得出各個(gè)受損部位的加載彈性模量并利用數(shù)學(xué)方法對(duì)相應(yīng)面積處進(jìn)行積分、平均，即可計(jì)算存在損傷的受彎構(gòu)件平均加載彈性模量[2]。采用無(wú)損高度比來(lái)判斷構(gòu)件截面的損傷情況，將無(wú)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(gè)區(qū)間，來(lái)判斷截面的受損情況[2]。 

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2.2   無(wú)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(huì)造成鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，此時(shí)平均彈性模量的降低與無(wú)損情況相比變化甚微，幾乎可以忽略不計(jì)，將這種狀態(tài)的損傷定義為鋼框架構(gòu)件輕微受損[2]。 當(dāng)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(guò)計(jì)算得到平均加載彈性模量與無(wú)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(yán)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(yīng)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(jìn)行計(jì)算，將該狀態(tài)定義為極嚴(yán)重受損[2]。 因此，僅需對(duì)構(gòu)件截面翼緣處全部進(jìn)入屈曲后的狀態(tài)進(jìn)行損傷分析。圖 2-1、2-2 為構(gòu)件截面為嚴(yán)重、極嚴(yán)重?fù)p傷的示意圖。 
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第 3 章   結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)力穩(wěn)定性理論 .......11
3.3   動(dòng)力穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則 ........... 12 
3.3.1   Movchan- Lyapunov 第二方法 ............. 12 
3.3.2   B-R 準(zhǔn)則........... 12 
3.3.3   Hsu.C.S（許皆蘇）能量準(zhǔn)則 ............. 13 
3.3.4   Simitses 勢(shì)能準(zhǔn)則 ..... 13 
3.4   不同類型結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)力分析 ............ 17 
4.1   非線性時(shí)程分析法 .......... 17
4.2   結(jié)構(gòu)截面損傷后的動(dòng)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(yàn)分析 ........... 29 
5.1   試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)設(shè)備 ...... 29
5.2   結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型相似關(guān)系 ......... 29 
5.3   模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析 ........... 37
5.4   鋼框架模型數(shù)值計(jì)算分析 ....... 51 

第 5 章   鋼框架縮尺模型結(jié)構(gòu)理論及試驗(yàn)分析 

5.1   試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)設(shè)備 
本次試驗(yàn)在吉林省土木工程抗震減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行完成。利用 DH3822 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)（圖 5-1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，利用 WS-Z30-50 振動(dòng)臺(tái)進(jìn)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(xué)性能以及結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)荷載作用下的破壞原理，是研究領(lǐng)域最為關(guān)注的熱點(diǎn)[23]。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的動(dòng)力性能分析成為現(xiàn)實(shí)。但是有限元分析軟件對(duì)于實(shí)際工程材料、構(gòu)件之間的連接的定義還是存在一定的問(wèn)題。對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的結(jié)果，還需利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)、大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)校驗(yàn)其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)既可以單獨(dú)使用，也可以與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的安全性更具有一定的保障[23]。 要使試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c被模擬的原型結(jié)構(gòu)滿足物理力學(xué)相似，需要符合幾個(gè)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(dòng)力穩(wěn)定性是主要的關(guān)注點(diǎn)，提出合理的抗震設(shè)計(jì)依據(jù)，從而保證人們生命安全。在實(shí)際工程中，鋼框架結(jié)構(gòu)在加工制作、安裝、使用過(guò)程中會(huì)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(dòng)力穩(wěn)定性降低。因此，對(duì)受損框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能及穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)過(guò)研究，得出以下結(jié)論：      
（1）對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)其判斷動(dòng)力失穩(wěn)的依據(jù)是第二類動(dòng)力穩(wěn)定，就是參考B-R 準(zhǔn)則的動(dòng)力穩(wěn)定性判別方法，當(dāng)荷載幅值的細(xì)小增量導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特征反向較大時(shí)，結(jié)構(gòu)視為動(dòng)力失穩(wěn)。此時(shí)結(jié)構(gòu)所承受的荷載即為結(jié)構(gòu)響應(yīng)的動(dòng)力穩(wěn)定性臨界荷載。第二類動(dòng)力穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則為本文的研究提供了理論基礎(chǔ)。  
（2）對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷，主要是通過(guò)削減鋼框架結(jié)構(gòu)截面面積來(lái)模擬結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)構(gòu)不同部位的損傷對(duì)鋼框結(jié)構(gòu)在承受本地區(qū)多遇、罕遇地震荷載作用時(shí)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(wèn)題。 
（3）本文對(duì)一鋼框架進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)四種不同工況的鋼框架結(jié)構(gòu)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行處理，得出鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)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(yīng)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(yàn)?zāi)Ｐ�，利用振�?dòng)臺(tái)為其提供 E-L 地震波荷載，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集各層梁柱不同位置處的應(yīng)變；以及通過(guò)加速度傳感器輸出各層加速度來(lái)計(jì)算響應(yīng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，各測(cè)點(diǎn)數(shù)值較為接近，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的真實(shí)性。 
（5）運(yùn)用有限元分析軟件建立相應(yīng)的鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型，在不同等級(jí)荷載作用下對(duì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并相互進(jìn)行驗(yàn)證，得出有限元分析軟件能夠有效的對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷模擬，為工程實(shí)例提供理論依據(jù)。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：368880