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钢结构地震损伤分析与损伤识别方法研究

段红霞  
【摘要】:钢结构由于质轻、高强、抗震性能好、环保节能等优点,广泛应用于工业和民用建筑中,尤其是随着我国抗震设防标准的提高和所面临的日益严峻的地震灾情,钢结构必将成为建筑物的主要结构形式之一。于此同时,钢结构建筑物由于各类损伤导致的工程事故也给人们的生命和财产带来了沉重的损失,因此开展钢结构的地震损伤分析与损伤识别方法研究具有重要意义。 钢结构具有良好的动力性能,但在地震等循环荷载作用下仍有倒塌等脆性破坏的发生,主要原因是人们尚不全面了解钢结构的破坏机理。为此,基于连续损伤力学的理论框架,建立了适合钢结构整体地震损伤分析的数值模型,研究了高层钢结构在地震作用下塑性发展、损伤产生及损伤累积的全过程。该模型同时考虑各向同性硬化和随动硬化,能够真实地反映材料屈服后的循环硬化特性;通过ABAQUS数值分析得到材料的模拟拉伸实验数据,再拟合真实拉伸实验数据,建立了损伤发生时的损伤起始应变和应力三轴度的关系式,用于判断损伤发生的时刻;结构损伤后,将损伤演化规律定义为塑性位移的函数,可以有效地降低计算结果对有限元网格划分的依赖性。利用建立的损伤模型,采用ABAQUS有限元软件对一个9层钢框架结构的地震损伤数值分析表明:模拟结果与现有实际工程的地震损伤情况基本一致;此外,与其他损伤模型相比,该模型所需参数易于获得,更便于实际工程应用。 基于振动测试的钢结构损伤识别中,振动测试往往仅限于少量测点,测试数据是不完备的,并且数据误差、模型误差难以避免。为了能够有效识别复杂结构的局部损伤,利用模态参与因子构造出完整模态振型,建立了非线性损伤控制方程,避免了采用模型缩聚或是扩阶方法所带来的额外误差,采用改进的高斯一牛顿最小二乘算法和奇异值分解对损伤控制方程进行求解得到损伤参数。提出了基于测点优选的两阶段损伤识别方法:第一阶段为测点优选,首先在整个结构易于接触的部位少量布置传感器,依据识别结果判断出大致的损伤区域,找出最接近损伤区域的优化测点;第二阶段为准确识别,在识别出的优选测点重新布置传感器,对构件节点、跨中等局部位置的损伤及其程度进行精确识别。对3层钢框架结构损伤识别数值模拟结果表明:根据第一阶段的识别结果能够明确判断出不同工况下的优选测点;在优选的测点进行重新测试,各种损伤工况的损伤位置及其损伤程度都能准确地识别;该方法具有较强的抗噪性和容错性。 针对实际结构的空间特性,基于有限的测试信息建立了空间结构的损伤模型,研究了空间钢结构的损伤识别问题。绝大多数损伤识别方法一般通过对杆件弹性模量的整体折减来定义损伤,这种方式不能表征特定部位的损伤状态,难以做到局部损伤的有效识别。为了考虑弯曲刚度,表征节点损伤,或跨中损伤,将单元刚度矩阵分解为轴向刚度、扭转刚度和积分点的弯曲刚度,并在单元水平定义损伤参数,数值模拟了4层钢框架结构的单损伤和多损伤工况的识别过程,结果表明:采用本文方法可以准确地定位空间结构特定部位的损伤,同时可以有效的评估其损伤程度。 目前既有钢结构的鉴定规范还不完善,鉴定方法也存在许多不足,远远满足不了实际工程的需要。为此研究了基于损伤的钢结构抗震性能评估指标,以构件的损伤值和整体结构的损伤值作为量化的损伤指标。构件的地震损伤量值采用本文第二章的损伤模型直接通过计算求得;楼层的损伤量值是首先对结构进行实测,按一定方法识别结构的模态参数,然后通过层损伤模型来计算;而结构的损伤指标则是通过构件或楼层损伤量值加权累加获得。对9层钢结构工程进行了基于损伤的抗震性能评估,根据业主提出的性能目标,通过对构件和结构的损伤指标计算,对该结构抗震性能进行了合理的评定。


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