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《合肥工业大学》 2011年
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结构地震能量反应分析及其在超高层巨型框架结构中的应用研究

常磊  
【摘要】:目前基于强度和位移的结构抗震设计及分析方法不能考虑强震作用对结构造成的累积损伤影响,能量分析方法则可克服这一缺点,是富有研究和应用前景的结构抗震分析方法之一。尽管该方法从20世纪提出至今已取得较大研究进展,但仍有不少问题尚待解决。在基于能量的抗震设计方法的发展过程中,在地震动能量特性、结构地震能量反应及结构损伤的认识方面仍需要进行大量工作。依托国家自然科学基金委重大研究计划项目“超高层巨型框架结构弹塑性地震反应与能量分析的研究”,以地震能量分析为主线,对结构地震能量反应特征和结构地震能量分布规律进行积极的探索,深入分析构件滞回耗能反应与损伤的关联特征,侧重普通多高层钢筋混凝土结构地震能量分布规律的研究。拟设计了201m高超高层钢筋混凝土巨型框架组合结构,应用地震能量反应分析方法,研究其耗能分布、损伤发展及分布规律。得出了以下研究成果与结论: (1)基于构件能量反应角度分析了结构地震能量反应特征与规律,提出构件能量反应的不平衡性,根据构件不平衡能反应将构件划分为耗能构件、传能构件以及吸能构件,并在剪切层模型不平衡能统计分析中得到初步证实。 (2)对结构在弹性状态下的地震能量反应的一般特性做了分析。提出了结构能量反应的振型分解反应谱法,建议了结构楼层(或构件)能量反应的振型非耦合简化计算方法,并给出了结构能量反应分布的表达式。 (3)提出从构件试验滞回数据到形成其等效骨架曲线的系列方法,并将该思想应用于移动骨架曲线法编写构件的滞回程序,提出了滞回分析中折点的有效处理方法,可体现构件滞回特性中的刚度退化、强度折减以及滑移特性三大特征。 (4)提出了地震动有效释能相关指标及指标谱概念,提出了能充分考虑结构构件重要性的综合损伤指标,也初步给出了评价结构损伤分布合理程度的指标。对构件滞回耗能反应的一般规律加以较深入的研究,实现了构件塑性耗能的分解方法。 (5)建议分构件评价结构滞回耗能分布;提出钢筋混凝土框架结构中梁的抛物线形耗能分布特征,指出多高层结构中框架柱、剪力墙等重要竖向构件极易出现底部耗能集中的不利现象,而采用基础隔震措施能有效改善这一不利耗能分布。提出结构构件具有耗能——传能矛盾的思想,改善结构耗能与损伤分布特征也即在协调构件的这对矛盾。 (6)按我国现行规范设计了201m高超高层钢筋混凝土巨型框架组合结构模型,分析表明该结构各动力反应均满足现行规范要求,但其破坏机制并不合理。研究指出巨型框架结构中主次框架相互作用的楼层分布具有其层间位移角的楼层分布特征,即中间大两端小的弦状曲线分布,并在巨型层处有所收进。 (7)提出能量分析时宜采用能量谱拟合选择实际记录或谱匹配生成人工记录作为地震动输入;指出基于谱匹配方法生成单一人工记录下的IDA方法是评价结构抗震性能的有效方法,验证了所设计的巨型框架结构具有很好的整体性能,但其耗能分布和损伤分布并不合理,损伤分布合理度指标较低。基于构件耗能——传能的概念,建议了多种改善巨型框架结构耗能和损伤分布的措施,认为其中最佳的应是多功能减振结构体系。 (8)通过巨型钢框架结构的微观有限元模型分析表明本文提出的耗能与损伤的一致性,反映了巨型框架结构损伤和耗能分布机理的相关结论在一定程度上具有一般性。 综上所述,论文对结构能量分析方法的一般性规律予以了研究,侧重于探索结构地震能量反应的分布规律,应用该方法对所设计的一超高层巨型框架结构的抗震性能予以较全面的评价,给出了改进措施。相关结论可为采用能量分析方法进行结构抗震分析和设计提供参考和依据。
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