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不同承载力和刚度调整方案对框架结构抗震性能影响规律的研究

吴代渊  
【摘要】:抗震结构的性能化设计是一个值得深入研究的领域,还有很多系统性的研究工作要去做。在抗震结构性能化设计中需要提高结构抗震性能时,选择相应合适的、有效的调控措施具有重要意义。而其中首先需要弄清楚的是,几种常用的结构性能调控措施对结构抗震性能的具体影响规律,从而明确在性能化设计提高结构性能时可以尝试采取的相应调控措施。在此背景下,本论文对一个7度0.15g区的规则框架结构进行了一系列的承载力调整、刚度调整、以及二者同时调整方案的分析验算,通过详细对比它们的弹塑性动力时程分析结果以及IDA和易损性分析结果,探究了构件承载力、结构刚度、以及二者同时的变化对框架结构抗震性能的影响规律;并通过对比分析结果提出了当需要有针对性地提高框架结构抗震性能时,可以采取的调控措施及其可能的相对优化的组合方式。本论文的主要创新点包括:一是直接对比不同承载力和刚度调整方案对框架结构抗震性能的影响规律,目标明确、概念清晰,能达到校核相关性能调控措施有效性的目的;二是在对比结构抗震性能时,考虑了多遇地震、设防地震、罕遇地震以及1.5倍罕遇地震四个不同地震动强度水准,并详细对比了层间位移角、楼层剪力、非弹性耗能比例以及构件损伤四个不同性能参数的相对变化;三是基于IDA和易损性分析全面对比了不同调整方案在地震动强度逐渐增大过程中,对框架结构抗震性能影响的发展变化趋势。通过本论文的分析工作,得到的主要结论如下:(1)增加承载力能推迟框架结构进入非弹性反应阶段,并明显减小强烈地震下构件的塑性损伤程度和最大弹塑性层间位移角;框架结构的抗倒塌能力和承载能力安全储备有显著增加,结构的抗震安全性得到提高;但不能改善结构使用阶段的整体变形性能。(2)通过增大构件截面尺寸以一定幅度提高框架结构的刚度而不明显增大构件截面配筋量时,能改善结构使用阶段的整体变形性能;但在强烈地震下框架结构刚度迅速退化,不能起到减小结构最大弹塑性层间位移角和构件塑性损伤程度的作用,不能提高结构的抗倒塌能力和承载能力安全储备;没有明显减小框架结构在强烈地震下的倒塌风险。(3)同时适当提高框架结构刚度和适当增大承载力后,在地震动强度逐渐增加的过程中,自始至终都能达到改善结构抗震性能的目的,也就是既改善了结构使用阶段的变形能力,又提高了结构的抗震安全性,且相应改善效果分别明显优于只以相同幅度提高刚度或以相同幅度增大承载力的方案;即在一定程度上综合了只提高刚度或只增大承载力对框架结构抗震性能的有利影响,而克服了各自单独调整的不足,使得同时增加刚度和承载力对框架结构抗震性能的改善效果最好,并且随着地震动强度的增加,相对有利的程度更加明显。通过上述分析结论所得到的启示是,当为了提高结构抗震性能而选择的调控措施不同时,所能达到的性能优化效果具有较大差异;同一调控措施对不同性能参数的影响程度也不尽相同,对同一性能参数所达到的优化效果还与地震动强度密切相关。工程设计者需要特别关注这一现象,在抗震性能化设计时采取某一性能调控措施后,还有必要利用有效分析手段进一步对结构的抗震性能进行深入分析和论证。当需要提高结构的抗震性能时,首先需要明确预期的目标是着重提高结构抗震安全性还是满足使用阶段变形功能的特殊要求,然后有针对性的采用是主要增加承载力,还是提高结构刚度,或是采用同时增加承载力和提高结构刚度二者的合理组合。对于简单的规则框架结构,根据本论文的分析结果,在抗震性能化设计中优化结构抗震性能时,在条件允许的情况下,本文建议尽可能采用同时增加承载力和提高结构刚度二者的合理组合这种调控方式,以达到全面、均衡地优化结构的抗震性能。


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