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高层建筑结构地震失效模式优化及损伤控制研究

吕杨  
【摘要】:近二十年来,我国建筑业迅猛发展,建造了一大批高层和超高层建筑;另一方面,我国位于世界两大地震带的交界处,地壳运动活跃,地震灾害非常严重。高层建筑结构体型庞大、体系受力复杂、人员财产密集,其震害会比一般建筑结构严重得多。历次震害分析表明,结构倒塌是造成人员伤亡和经济损失的根本原因,因此研究强震作用下高层建筑结构的损伤演化规律和破坏倒塌机制,控制结构损伤过程和失效破坏模式,避免结构发生整体倒塌,对提高高层建筑的抗震安全性、减轻或避免高层建筑的震害具有重要理论意义和工程价值。本文针对高层钢框架结构、钢框架—钢板剪力墙结构以及钢—混凝土混合结构,深入研究了基于结构地震失效模式优化的灾变过程控制和基于MR阻尼器的结构非线性损伤控制,建立了高层建筑结构地震失效模式优化及损伤控制理论与方法。主要研究工作和创新成果如下: (1)高层钢结构基于等抗震性能的失效模式优化设计。基于构件和结构的抗震性能指标,提出了高层建筑结构各类构件基于等抗震性能的失效模式优化设计方法。以结构损伤指数为约束方程,结构抗震性能指标为目标函数,结构参数为优化变量的多次优化迭代,使结构各类构件抗震性能指标收敛于预设值,进而达到结构各类构件等抗震性能的目的。分别以一9层钢框架结构的单目标优化设计和一15层钢框架—钢板剪力墙结构的多目标优化设计为例,数值分析了优化前后结构的动力响应和损伤发展过程。结果表明:优化设计后结构各层的层间位移和损伤分布更均匀,结构的薄弱部位不再出现,材料强度得到充分发挥,结构用钢量降低,结构整体抗震性能得以提高。 (2)高层建筑结构基于MR阻尼器的非线性地震损伤控制理论。推导了基于中心差分法的控制方程,并基于LS-DYNA有限元程序二次开发了结构的半主动控制平台,实现了高层建筑结构基于MR阻尼器的非线性地震损伤控制系统与结构一体化的建模、分析与设计。分别以一9层的钢框架结构和一15层的钢框架—钢板剪力墙结构为例,数值分析了控制前后结构的动力响应和损伤发展过程。结果表明:所开发的半主动控制平台计算稳定、速度快、精度高;采用MR阻尼器控制后的结构层间位移、残余变形和损伤指数等都明显减小,结构损伤分布范围更广,结构整体抗震性能明显提高,但当地震动峰值加速度增大到一定程度后,受MR阻尼器出力水平限制,结构损伤控制效果降低。 (3)高层钢—混凝土混合结构基于MR阻尼器的非线性地震损伤控制。提出了钢筋混凝土剪力墙的损伤准则,以强震下一15层的钢—混凝土混合结构为例,数值分析了未安装阻尼器、在核心筒与钢框架之间安装阻尼器以及在钢框架柱之间安装阻尼器三种情况下结构的动力响应和损伤发展过程。结果表明:MR阻尼器可在一定程度上控制结构层间位移、基底剪力和损伤发展;两种阻尼器安装方案具有相近的控制效果,但均不能抑制结构薄弱部位的产生;所分析工况中,钢框架均处于弹性受力阶段,而混凝土核心筒均发生较严重的破坏,这与MR阻尼器需要结构产生一定的层间位移才能起到控制效果相矛盾,因此,钢—混凝土结构的整体抗震性能由混凝土核心筒控制。 (4)钢—混凝土结构非线性地震损伤控制模型试验。试验研究了不同强度地震作用下,半主动控制、Passive on控制、Passive off控制对结构动力响应的控制效果。结果表明:Passive on和半主动控制的结构比Passive off和无控的结构优越;MR阻尼器具有很好的耗能能力,Passive on和半主动控制下MR阻尼器耗能能力约为Passive off的2~3倍;结构频率下降都发生在无控或者Passive off对应的工况,表明MR阻尼器能较好地控制结构损伤的产生和发展。基于二次开发的钢材和混凝土单轴弹塑性损伤本构模型,建立了能定量描述结构损伤发展过程的等效纤维单元模型,通过振动台试验验证了模型的求解精度。此外,提出一种应用试验测得的应变反演相应部位应力和损伤发展的方法,该方法能获得材料应力和损伤发展过程。


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