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基于能量判别的结构地震响应的研究

王洪波  
【摘要】:能量分析方法能够很好地反映结构自身的弹塑性性能、结构地震破坏的塑性累积效应和地震动特性——地震动强度、频谱和地震动持时等对结构地震破坏的综合影响,因此日益受到结构地震工程界的广泛重视。结构的地震作用是一个能量输入、转化和消耗的过程,因此运用能量方法分析结构的抗震性能需要解决的主要问题包括研究结构在地震作用下的总输入能及其影响因素、输入到结构中的能量的存在形式、引起结构地震破坏的能量形式以及该能量的影响因素及分布规律等。 本文通过单自由度体系、多自由度体系的结构地震能量分析原理和弹性结构、非弹性结构的静力推覆分析等理论基础的研究,运用有限元分析方法和相应的有限元软件获得结构在地震作用下的总输入能、塑性损耗能(即非弹性滞回耗能)和结构的极限耗能。提出了无量纲的塑性损耗指标和破损指标。塑性损耗指标是结构在地震作用下的塑性损耗能与总输入能之比,表征结构的塑性损耗程度;破损指标是结构在地震作用下的总输入能与结构所能承受的极限耗能之比,表征结构的抗震性能。采用有限元软件ABAQUS中的非线性动力时程响应法计算地震作用下结构的塑性损耗能和总输入能;采用静力模态推覆方法(MPA)计算结构所能承受的极限耗能。通过一个典型中高层算例分析了结构的塑性损耗指标和破损指标,并对得到的结果与结构模拟计算的损伤情况进行了对比分析,同时给出了随地震强度增大结构的塑性损耗能在不同构件和不同层的分配规律,验证了文中方法的正确性和可靠性。 通过大量超高层样本实例的塑性损耗指标与其模拟计算的损伤破坏程度对比分析,得到超高层结构的塑性损耗指标与其地震破坏程度的对应规律,从而可以运用塑性损耗指标初步评估超高层结构的地震破坏程度。基于有限元软件ABAQUS运用非线性动力时程响应法分析了一个典型超高层框架-核心筒结构,进行了该结构在同一地震波不同地震强度下的塑性损耗指标、构件和各层的塑性损耗能分配,以及在不同地震波同一地震强度下的塑性损耗指标、各层的塑性损耗能分配分析,并与模拟计算的该结构相应的损伤破坏情况进行了对比,结果表明结构的塑性损耗指标和塑性损耗能分配可用来衡量结构整体和局部塑性损伤破坏情况。最后,运用能量分析方法对典型超高层结构的设计方案进行了优化分析。


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