基于性能的纵边落地支承单层柱面网壳抗震理论研究

论文摘要

基于性能的抗震分析与设计是工程抗震发展史上的一个重要里程碑,代表了抗震研究的发展方向。在多高层建筑结构领域,基于性能的抗震研究已经取得了比较丰硕的理论成果,在抗震设计规范中已经有了一些体现。然而目前基于性能的空间结构抗震研究还处于初步的理论探索阶段,远未形成具体有效的设计方法,相比于多高层建筑结构,其理论研究大大滞后,严重制约了空间结构进一步的应用与发展。本文以空间结构的一种形式——纵边落地支承单层柱面网壳为主要研究对象,进行了基于性能的抗震理论研究,主要研究内容及成果如下:(1)空间结构地震时程分析Rayleigh阻尼系数的研究基于结构在单维地震动下的振型峰值应变能公式,结合空间结构自振特性及地震响应的统计分析及规律总结,引入合理简化条件,首次推导了空间结构在三维地震动下的振型峰值应变能系数近似公式,该系数是空间结构三维地震动下各振型贡献的合理度量系数。以此系数为权重,提出了基于多参考振型的加权最小二乘法计算空间结构Rayleigh阻尼系数,基于Rayleigh阻尼理论的基本原理和假设条件,以纵边落地支承单层和双层柱面网壳为典型算例,对Rayleigh阻尼系数传统计算方法和本文提出的新方法进行了对比分析。分析表明,传统方法在某些地震波作用下会导致较大误差,而在任意地震波作用下新方法的结果都比传统方法更为合理,因此该方法是空间结构地震时程分析Rayleigh阻尼系数通用合理的计算方法。(2)纵边落地支承单层柱面网壳强震倒塌机理研究采用基于荷载域全程响应分析方法首次对纵边落地支承单层柱面网壳强震倒塌机理进行了系统研究。研究表明,该类型柱壳呈现明显的沿跨度方向的单向受力特征,当长宽比大于1时,长宽比对其受力几乎没有影响;强震破坏均为动力强度破坏;最低阶特征值屈曲模态和最低阶振动模态都可以作为初始几何缺陷分布模式,这两种分布模式对柱壳的地震响应几乎没有影响;初始几何缺陷方向对其地震响应有显著影响,因此地震响应分析必须考虑两个方向的初始几何缺陷;矢跨比对其倒塌PGA的发展趋势并无固定的影响规律;倒塌PGA均随屋面附加恒荷载的增大而减小,其减小程度随柱壳不同而不同。(3)单层网壳地震损伤评估方法研究提出了基于静力稳定极限承载力退化的单层网壳地震损伤评估方法。该方法理论基础及分析过程合理,计算简单且易于实现。利用该方法对纵边落地支承单层柱面网壳进行了损伤评估,并对该方法在单层球面网壳中的应用进行了研究。结果表明,该方法能够以较高的精度对单层网壳的地震损伤尤其是临近倒塌时的损伤进行评估,是单层网壳地震损伤评估的合理方法。该方法得到的损伤指数可以用来衡量单层网壳的性能水平,解决了基于性能的单层网壳抗震分析中的一个关键问题。(4)纵边落地支承单层柱面网壳地震动参数研究首次系统研究了在近场地震动下纵边落地支承单层柱面网壳的损伤和常用地震动参数的相关性和有效性。结果表明,由于该类型柱壳沿跨度方向的单向受力特性明显,整体角度来看,跨度方向的地震动参数的相关性和有效性高于其他两个方向的地震动参数;沿跨度方向地震动在结构基本周期处的加速度谱值Sa(T1)是最为合理的地震动参数,而PGA并非合适的地震动参数。该部分研究可以为纵边落地支承单层柱面网壳基于概率的抗震性能评估奠定基础。(5)纵边落地支承单层柱面网壳性能水平划分和抗震性能评估研究以《建筑地震破坏等级划分标准》(建设部90建抗字377号)给出的性能水平为基础,结合纵边落地支承单层柱面网壳的地震响应特点,利用基于静力稳定极限承载力退化的地震损伤指数对该类型柱壳的性能水平进行了划分,给出了不同性能水平下结构的破坏特征;依据基于概率的结构抗震性能评估方法对矢跨比为1/4的典型纵边落地支承单层柱面网壳进行了抗震性能评估,计算了某场地下各性能水平的年均超越概率和设计基准期50年的超越概率,结果表明,该柱壳具有很好的抗震性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于性能的结构抗震研究内容及关键问题
• 1.2.1 地震危险性分析及设防水准确定
• 1.2.2 结构响应参数的确定
• 1.2.3 结构性能水平划分
• 1.2.4 结构性能目标确定
• 1.2.5 基于性能的抗震设计方法
• 1.3 基于性能的空间网格结构抗震研究现状
• 1.3.1 地震动参数研究
• 1.3.2 响应参数的确定
• 1.3.3 性能水平划分与性能目标确定
• 1.3.4 抗震设计方法
• 1.3.5 现有研究的不足
• 1.4 本文主要工作
• 1.4.1 研究对象
• 1.4.2 具体研究内容
• 第2章 空间结构地震时程分析中Rayleigh 阻尼系数计算方法研究
• 2.1 Rayleigh 阻尼理论
• 2.2 Rayleigh 阻尼系数传统计算方法——两参考振型法
• 2.3 基于多参考振型的Rayleigh 阻尼系数计算方法
• 2.3.1 振型贡献度量系数
• 2.3.2 基于多参考振型的加权最小二乘法
• 2.4 在纵边落地支承单层柱面网壳中的应用
• 2.4.1 CON 地震动
• 2.4.2 TAFT 地震动
• 2.5 在双层柱面网壳中的应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 纵边落地支承单层柱面网壳强震倒塌机理研究
• 3.1 研究方法
• 3.2 基于ABAQUS 二次开发的IDA 计算流程
• 3.3 纵边落地支承单层柱面网壳强震倒塌机理
• 3.3.1 受力特点
• 3.3.2 动力特性
• 3.3.3 强震倒塌机理
• 3.3.4 初始几何缺陷的影响
• 3.3.5 矢跨比的影响
• 3.3.6 屋面附加恒荷载的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于静力稳定极限承载力退化的单层网壳地震损伤评估研究
• 4.1 基本原理
• 4.1.1 基于刚度退化的框架结构地震损伤评估方法
• 4.1.2 基于静力稳定极限承载力退化的单层网壳地震损伤评估方法
• 4.1.3 基于IDA 的单层网壳地震损伤评估流程
• 4.2 纵边落地支承单层柱面网壳地震损伤评估
• 4.3 在单层球面网壳中的应用
• 4.3.1 模型
• 4.3.2 分析结果
• 4.3.3 损伤评估
• 4.3.4 其他地震动下的损伤评估
• 4.4 损伤评估方法总结
• 4.5 本章小结
• 第5章 纵边落地支承单层柱面网壳近场地震动参数相关性及有效性研究
• 5.1 地震动参数
• 5.2 地震动
• 5.3 相关性
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 计算分析
• 5.3.3 结果分析
• 5.4 有效性
• 5.4.4 损伤指数和损伤参数的相关性
• 5.4.5 各地震动参数的有效性
• 5.5 本章小结
• 第6章 纵边落地支承单层柱面网壳性能水平划分和抗震性能评估
• 6.1 纵边落地支承单层柱面网壳性能水平划分
• 6.2 基于概率的结构抗震性能评估方法
• 6.2.1 地震危险性分析
• 6.2.2 结构易损性分析
• 6.2.3 结构年均超越概率及设计基准期内超越概率
• 6.3 纵边落地支承单层柱面网壳抗震性能评估
• 6.4 本章小结
• 结论
• 主要研究结论
• 创新点
• 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢