结构地震能量反应分析及其在超高层巨型框架结构中的应用研究

论文摘要

目前基于强度和位移的结构抗震设计及分析方法不能考虑强震作用对结构造成的累积损伤影响,能量分析方法则可克服这一缺点,是富有研究和应用前景的结构抗震分析方法之一。尽管该方法从20世纪提出至今已取得较大研究进展,但仍有不少问题尚待解决。在基于能量的抗震设计方法的发展过程中,在地震动能量特性、结构地震能量反应及结构损伤的认识方面仍需要进行大量工作。依托国家自然科学基金委重大研究计划项目“超高层巨型框架结构弹塑性地震反应与能量分析的研究”,以地震能量分析为主线,对结构地震能量反应特征和结构地震能量分布规律进行积极的探索,深入分析构件滞回耗能反应与损伤的关联特征,侧重普通多高层钢筋混凝土结构地震能量分布规律的研究。拟设计了201m高超高层钢筋混凝土巨型框架组合结构,应用地震能量反应分析方法,研究其耗能分布、损伤发展及分布规律。得出了以下研究成果与结论:(1)基于构件能量反应角度分析了结构地震能量反应特征与规律,提出构件能量反应的不平衡性,根据构件不平衡能反应将构件划分为耗能构件、传能构件以及吸能构件,并在剪切层模型不平衡能统计分析中得到初步证实。(2)对结构在弹性状态下的地震能量反应的一般特性做了分析。提出了结构能量反应的振型分解反应谱法,建议了结构楼层(或构件)能量反应的振型非耦合简化计算方法,并给出了结构能量反应分布的表达式。(3)提出从构件试验滞回数据到形成其等效骨架曲线的系列方法,并将该思想应用于移动骨架曲线法编写构件的滞回程序,提出了滞回分析中折点的有效处理方法,可体现构件滞回特性中的刚度退化、强度折减以及滑移特性三大特征。(4)提出了地震动有效释能相关指标及指标谱概念,提出了能充分考虑结构构件重要性的综合损伤指标,也初步给出了评价结构损伤分布合理程度的指标。对构件滞回耗能反应的一般规律加以较深入的研究,实现了构件塑性耗能的分解方法。(5)建议分构件评价结构滞回耗能分布;提出钢筋混凝土框架结构中梁的抛物线形耗能分布特征,指出多高层结构中框架柱、剪力墙等重要竖向构件极易出现底部耗能集中的不利现象,而采用基础隔震措施能有效改善这一不利耗能分布。提出结构构件具有耗能——传能矛盾的思想,改善结构耗能与损伤分布特征也即在协调构件的这对矛盾。(6)按我国现行规范设计了201m高超高层钢筋混凝土巨型框架组合结构模型,分析表明该结构各动力反应均满足现行规范要求,但其破坏机制并不合理。研究指出巨型框架结构中主次框架相互作用的楼层分布具有其层间位移角的楼层分布特征,即中间大两端小的弦状曲线分布,并在巨型层处有所收进。(7)提出能量分析时宜采用能量谱拟合选择实际记录或谱匹配生成人工记录作为地震动输入;指出基于谱匹配方法生成单一人工记录下的IDA方法是评价结构抗震性能的有效方法,验证了所设计的巨型框架结构具有很好的整体性能,但其耗能分布和损伤分布并不合理,损伤分布合理度指标较低。基于构件耗能——传能的概念,建议了多种改善巨型框架结构耗能和损伤分布的措施,认为其中最佳的应是多功能减振结构体系。(8)通过巨型钢框架结构的微观有限元模型分析表明本文提出的耗能与损伤的一致性,反映了巨型框架结构损伤和耗能分布机理的相关结论在一定程度上具有一般性。综上所述,论文对结构能量分析方法的一般性规律予以了研究,侧重于探索结构地震能量反应的分布规律,应用该方法对所设计的一超高层巨型框架结构的抗震性能予以较全面的评价,给出了改进措施。相关结论可为采用能量分析方法进行结构抗震分析和设计提供参考和依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 结构能量反应分析研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 结构损伤研究现状
• 1.4 巨型框架结构能量反应研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 结构地震能量反应分析
• 2.1 结构能量反应研究的一般背景
• 2.1.1 基于有限元思想的能量反应推导
• 2.1.2 绝对能量反应及其与相对能量反应的区别
• 2.1.3 地震能量的耗散及其在结构中的传递
• 2.2 结构弹性能量反应的振型分解研究
• 2.2.1 结构能量反应的振型分解法
• 2.2.2 结构能量反应的能量反应谱法
• 2.2.3 结构楼层能量反应的振型非耦合简化计算方法
• 2.2.4 能量反应在结构内的分布特征
• 2.3 基于构件的结构能量反应分析方法
• 2.3.1 基于质点位移反应上的能量反应的分解
• 2.3.2 基于构件的能量反应的分解
• 2.3.3 地震激励下构件不平衡能量反应的统计分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 结构构件试验滞回特性分析
• 3.1 结构构件层面研究简述
• 3.2 构件滞回特性研究进展
• 3.2.1 试验数据的预处理和骨架曲线的提取及其等效折线化方法
• 3.2.2 骨架曲线的等效折线化方法
• 3.2.3 恢复力模型的定义及程序实现
• 3.2.4 滞回模型三大特征及简化处理方法
• 3.3 滞回分析程序在构件试验中的对比分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于能量的地震动强度及结构损伤特性分析
• 4.1 地震动特性指标
• 4.1.1 地震记录峰值指标
• 4.1.2 Arias 相关强度指标及能量相关指标
• 4.1.3 Housner 强度指标
• 4.1.4 谱相关指标
• 4.2 结构损伤指标
• 4.2.1 位移相关损伤指标
• 4.2.2 滞回耗能相关损伤指标
• 4.2.3 组合损伤指标
• 4.2.4 组合损伤指标的发展
• 4.3 地震强度指标研究
• 4.3.1 地震动能量释放与结构吸能耗能关联特征
• 4.3.2 地震动有效释能指标及相关指标
• 4.3.3 地震动有效释能指标及指标谱的特征
• 4.3.4 地震动有效释能指标评价
• 4.4 结构损伤指标研究
• 4.4.1 基于结构耗能的损伤指标的进一步研究
• 4.4.2 综合损伤指标的提出与应用
• 4.5 结构滞回耗能反应分解及其与损伤关联
• 4.5.1 结构构件滞回耗能与其延性的时程关联特征
• 4.5.2 滞回耗能的分解：准弹性变形能+准塑性耗能
• 4.6 本章小结
• 第五章 多高层钢筋混凝土结构地震能量反应分析
• 5.1 钢筋混凝土结构能量反应分析方法
• 5.1.1 试验分析
• 5.1.2 理论研究
• 5.1.3 能量分布研究
• 5.2 CANNY 程序简介
• 5.3 多层钢筋混凝土框架结构能量反应分析
• 5.3.1 普通框架结构能量反应特征分析
• 5.3.2 不同刚度分布框架结构能量反应分布研究
• 5.3.3 普通钢筋混凝土结构耗能分布小结
• 5.4 高层钢筋混凝土基础隔震结构能量反应分析
• 5.4.1 高层基础隔震结构能量反应特征分析
• 5.4.2 不同结构体系高层基础隔震结构能量反应分布研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 超高层巨型框架结构设计及模拟分析
• 6.1 巨型结构体系
• 6.1.1 巨型结构简介
• 6.1.2 巨型框架结构传力特征
• 6.2 超高层巨型框架结构设计
• 6.2.1 设计背景
• 6.2.2 结构介绍
• 6.3 基于CANNY 分析的巨型框架结构设计校核
• 6.3.1 模态反应及其特征
• 6.3.2 弹性及弹塑性动力反应结果分析
• 6.3.3 弹性及弹塑性下主次结构相互作用结果分析
• 6.4 巨型柱带洞口剪力墙精细有限元分析
• 6.4.1 材料定义
• 6.4.2 计算控制
• 6.4.3 简化前模型的数值模拟
• 6.4.4 简化后模型的数值模拟
• 6.5 本章小结
• 第七章 巨型框架结构地震能量反应分析
• 7.1 巨型框架结构地震能量反应简述
• 7.1.1 巨型框架结构能量反应分析文献报道
• 7.1.2 巨型框架结构理想传力传能理想路径
• 7.2 实际地震记录下巨型框架结构的能量反应
• 7.2.1 设计加速度反应谱拟合选波
• 7.2.2 设计能量反应谱拟合选波
• 7.2.3 拟合选波下巨型框架结构滞回耗能的竖向分布
• 7.2.4 两种拟合选波方法评价
• 7.3 RSPMATCH 人工记录下巨型框架结构的损伤耗能分析
• 7.3.1 谱匹配（RSPMatch）人工记录下结构滞回耗能分布
• 7.3.2 巨型框架结构综合损伤指标及损伤分布合理度定义
• 7.3.3 IDA 方法下巨型框架结构耗能和损伤分析
• 7.4 巨型钢框架结构微观有限元模型的损伤和能量反应
• 7.4.1 巨型钢框架结构模型介绍
• 7.4.2 巨型钢框架结构的静力Pushover 分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结构地震能量反应分析总结及展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.1.1 结构能量反应分析总结
• 8.1.2 结构损伤分析及能量反应一般特性研究总结
• 8.1.3 多高层钢筋混凝土结构滞回耗能分布研究总结
• 8.1.4 超高层钢筋混凝土巨型框架结构设计研究总结
• 8.1.5 巨型框架结构耗能分布和损伤特性研究总结
• 8.2 创新点汇总
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录