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基于性能的钢筋混凝土框架结构抗震性能评价方法与应用研究

管民生  
【摘要】:基于对地震的高度不确定性以及结构安全性之间合理关系的认识,“小震不坏、中震可修、大震不倒”的多级抗震设防的思想在上世纪八十年代初期逐步被一些国家的抗震设计规范所采用。但在规范的具体实施中仍主要是以确保生命安全为目标的一级设计准则,抗震设计仍主要是采用基于强度(或承载力)的设计方法。大量的地震现象表明,许多结构在地震时都经历过相当大的非弹性变形,由于结构在地震中经历了较大的非线性变形,产生了严重的震害,造成巨大的经济损失。基于强度(或承载力)的抗震设计难以有效地控制结构在未来地震下的破坏程度。特别是随着现代工业化和城市化的发展,一些国家和地区城市的数量急剧增加,人口高度密集,社会财富也高度集中。破坏性地震的发生将会给社会造成严重的负担。 基于性能的结构抗震设计综合考虑生命安全和财产损失两方面的具体要求,将“小震不坏、中震可修、大震不倒”的多级设防理念进一步细化和具体化,是当前结构抗震设计理论的发展方向,并成为国内外结构抗震设计理论研究的热点。开展这方面的研究工作对更为科学地进行结构抗震设计与评估具有重要的理论意义和工程实用价值。 鉴于课题的研究背景和现阶段研究存在的问题,本文开展了以下的研究工作: 针对目前常用的变形性能指标不能考虑地震持时对结构抗震性能的影响,本文基于Lemaitre应变等价性理论和Rabotnov损伤变量定义,并根据已有的试验结果,提出了一种新的基于结构损伤的结构抗震性能指标。通过计算分析表明,新性能评价指标,概念明确,实用简洁,能较方便地求出结构在不同强度地震作用下的性能水准。 地震输入能量和滞回耗能是评价结构抗震性能的重要指标。对于未设耗能装置的结构,滞回耗能通过结构非线性变形来完成,这样结构内就会产生某种程度的损伤。从能量耗散的角度分析结构的抗震性能具有优越性。本文分别研究了非线性动力时程分析能量计算方法和静力弹塑性分析能量计算方法,通过数值算例,计算了不同峰值加速度地震输入能量和结构滞回耗能及两者的比值,着重分析了结构滞回耗能沿高度的分布模式以及各层梁柱构件滞回耗能的分配和分布。计算分析表明,通过计算各构件滞回耗能的耗散和分布可以确定结构薄弱楼层或部位,可有效评估其抗震性能。 由于能量计算的复杂性,从实用角度来看,根据能量难以直接得到用于设计的结构地震反应参数(变形、位移、内力等),设计人员不容易理解与掌握。为此,对本文提出的抗震性能指标和能量指标的相关性进行了研究,结果表明,本文所提出的抗震性能指标与能量指标是高度相关的,有的甚至接近完全相关。因此,可用本文提出的抗震性能指标代替能量指标进行结构抗震性能评估。 2010新抗震规范首次引入了基于性能的抗震设计思想,并建议了性能水准和性能指标(层间位移角)及其限值。本文对其应用情况进行分析研究。基于材料本构关系的纤维模型,建立了不同层数的钢筋混凝土框架结构模型,从美国太平洋地震研究中心的相关数据库中选择了5条强震记录作为本文弹塑性时程分析的地震动输入。对结构进行了不同峰值加速度的非线性时程分析。计算结果发现层间位移角对结构自振周期的变化不敏感,这与结构的破坏决定于地震动特性和结构自身的动力特性的认识存在偏差。 为了全面和系统地对结构地抗震能力进行评估,以前述基于纤维模型的钢筋混凝土框架结构为研究对象,从结构整体、结构楼层、结构构件三个层次分别探究了结构在各级地震作用下的性能水准。结构整体和楼层两个层次采用本文提出的性能指标,结构构件层次的性能评估则参考美国土木工程师协会标准(American Society of Civil Engineers Standard)“既有建筑抗震加固(Seismic Rehabilitation of Existing Buildings)”确定。并在结构整体层面与基于变形的性能评价进行了对比分析。研究结果表明,依据2010新抗震规范,限制低层结构的层间位移角可使其不倒塌,对于中高层结构有可能低估结构实际的破坏情况。同时也表明,层间位移角无法考虑累积损伤对结构造成的破坏,控制结构层间位移角并不能保证结构安全。 本文提出的抗震性能指标的计算涉及到结构静力弹塑性分析结果,由于静力弹塑性分析自身的局限性需要进行多种侧向加载工况分析,因此,该性能指标对侧向加载分析工况的敏感性会影响到结构抗震性能的评价。通过结构静力弹塑性计算分析表明,本文提出的性能指标对于不同的侧向加载模式不敏感。因此,可以采用静力弹塑性分析方法对结构在不同强度地震作用下的损伤进行定量分析。另外,通过结构整体和楼层性能指标计算结果与结构构件塑性区域发展情况对比,表明结构整体、结构楼层和结构构件三个层次的性能评价结果具有一致性,可方便有效地对结构的抗震性能进行评估。 最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。


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