强震作用下钢筋混凝土框架连续倒塌过程中的碰境研究

论文摘要

我国现行抗震设计规范针对“大震不倒”的抗震设计原则要求结构在罕遇地震作用下仍能保持整体稳定和保障建筑物内人员生命安全。在具体设计实践中,这一原则是通过验算薄弱层的弹塑性变形来实现。然而过于粗略的弹塑性变形限值掩盖了实际构件在强震作用下的复杂力学行为,同时未能就结构的实际临界倒塌状态给出清晰的界定。建立更加科学合理的抗连续倒塌设计方法的关键在于能够对结构在强震作用下经历的全过程力学行为给出准确合理的描述,尤其是接触碰撞分析这类核心和难点问题。本文以力学分析和概念建模为主要研究手段,将连续倒塌分析与结构碰撞分析紧密结合,旨在揭示因结构碰撞而引发的整体连续倒塌过程,建立钢筋混凝土框架连续倒塌过程中的碰撞机理,为实现OpenSees分析软件的碰撞模拟及后处理提供理论支撑。（1）对强震作用下钢筋混凝土框架中的节点和构件失效机理和内力重分布机制进行分析,揭示结构因坍塌发生冲击碰撞而引起的整体连续倒塌过程,分析钢筋混凝土框架柱在强震作用下发生侧移和缩短之后通过框架的空腹效应和梁的悬链线效应进行荷载重分布的过程、P-Delta效应对框架柱的影响以及上部结构对下部结构的冲击效应。（2）选取Hertz-damp碰撞模型对结构连续倒塌过程中的地震落梁碰撞进行接触碰撞力学建模,建立了主动碰撞体与被动碰撞体的运动微分方程,主要包括：描述失效构件端部脱离时的初始运动状态；描述失效构件脱离主体结构后的运动轨迹；对失效构件与受碰撞构件间的接触碰撞问题进行建模。（3）对框架结构的柱铰落层碰撞行为、整体坐层碰撞行为、边跨坍塌碰撞行为和中间跨落层碰撞行为进行分析讨论,将柱铰落层碰撞和整体坐层碰撞简化为两弹性质量球之间的对心碰撞,将边跨坍塌碰撞简化为弹性质量球横向碰撞在梁上的模型,并根据中间跨失效情况将中间跨坍塌碰撞简化成两弹性质量球之间的碰撞或者弹性质量球横向碰撞在梁上的模型,并确定初始碰撞状态,包括初始碰撞速度、碰撞点的位置和碰撞质量影响系数,建立地震落层碰撞的力学模型,接着就可以采用Duhamel积分表示主动碰撞体与被动碰撞体的位移,然后结合碰撞力表达式进行数值计算,采用MATLAB编程得出了压缩量时程曲线、碰撞力时程曲线以及碰撞力-压缩量关系曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 钢筋混凝土框架结构的震害
• 1.2.1 最近几次强震
• 1.2.2 主要震害
• 1.3 连续倒塌的研究现状
• 1.3.1 连续倒塌的类型
• 1.3.2 连续倒塌的典型事件
• 1.3.3 连续倒塌研究分析方法
• 1.3.4 结构抗连续倒塌设计现状
• 1.3.5 结构损伤性能刻画
• 1.4 结构碰撞及其力学模型
• 1.4.1 结构碰撞的危害
• 1.4.2 结构碰撞的分类
• 1.4.3 结构碰撞问题的研究方法及其力学模型
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 钢筋混凝土平面框架倒塌过程分析
• 2.1 引言
• 2.2 钢筋混凝土框架的受力特点和传载路径
• 2.3 框架局部构件失效引起的横向连续倒塌
• 2.3.1 柱端形成机械铰后的内力释放重分布
• 2.3.2 框架梁端失效后的内力释放重分布
• 2.3.3 框架节点核心区失效后的内力释放重分布
• 2.3.4 框架节点失效后对柱的P-Delta效应的影响
• 2.4 框架局部破坏引起的竖向连续倒塌
• 2.4.1 柱失效缩短后上部结构的冲击效应
• 2.4.2 地震落梁碰撞
• 2.4.3 地震落层碰撞
• 2.5 本章小结
• 第3章 框架柱失效后的承载机制及冲击效应
• 3.1 引言
• 3.2 钢筋混凝土框架的空腹效应
• 3.2.1 空腹效应的概念
• 3.2.2 空腹效应的形成过程
• 3.2.3 空腹效应对钢筋混凝土框架的影响
• 3.3 钢筋混凝土框架梁的悬链线效应
• 3.3.1 悬链线效应的概念
• 3.3.2 悬链线效应算例
• 3.3.3 钢筋混凝土框架梁悬链线效应的形成过程
• 3.3.4 影响钢筋混凝土框架梁悬链线效应的因素
• 3.3.5 梁的悬链线效应对钢筋混凝土框架的影响
• 3.4 钢筋混凝土框架柱的P-Delta效应
• 3.4.1 P-Delta效应对钢筋混凝土框架柱的影响
• 3.4.2 单元几何刚度矩阵的推导
• 3.4.3 考虑转动（P-⊿）效应的单元几何刚度矩阵的推导
• 3.4.4 考虑弯曲（P-δ）效应的单元几何刚度矩阵的推导
• 3.5 钢筋混凝土柱失效后上部结构的冲击效应
• 3.5.1 上部结构冲击效应的初始状态
• 3.5.2 上部结构冲击效应力学建模
• 3.6 柱失效后结构的重力荷载动态重分布
• 3.6.1 通过框架的空腹效应进行的重力荷载动态重分布
• 3.6.2 通过梁的悬链线效应进行的重力荷载动态重分布
• 3.6.3 重力荷载动态重分布的振动台试验
• 3.7 本章小结
• 第4章 框架梁失效后的梁-梁碰撞行为
• 4.1 引言
• 4.2 碰撞类型
• 4.3 碰撞条件的建立
• 4.3.1 主动碰撞梁与被动碰撞梁的转角
• 4.3.2 预测碰撞点到被动碰撞梁的距离
• 4.3.3 主动梁与被动梁的预测碰撞点沿碰撞方向的速度
• 4.3.4 碰撞条件
• 4.4 碰撞的初始状态
• 4.4.1 初始碰撞速度
• 4.4.2 碰撞质量影响系数
• 4.4.3 碰撞点的位置
• 4.5 碰撞力学建模
• 4.5.1 碰撞模型假定
• 4.5.2 主动碰撞质量球的运动方程
• 4.5.3 被动碰撞梁的受迫振动控制方程
• 4.5.4 其他情况被动碰撞梁的受迫振动控制方程
• 4.6 本章小结
• 第5章 框架结构的地震落层碰撞行为
• 5.1 引言
• 5.2 地震落层碰撞的类型
• 5.2.1 柱铰落层碰撞
• 5.2.2 整体坐层碰撞
• 5.2.3 边跨坍塌碰撞
• 5.2.4 中间跨坍塌碰撞
• 5.3 柱铰落层碰撞行为
• 5.3.1 柱铰落层碰撞的初始状态
• 5.3.2 柱铰落层碰撞力学建模
• 5.3.3 柱铰落层碰撞运动方程的数值解法
• 5.3.4 柱铰落层碰撞算例
• 5.4 整体坐层碰撞行为
• 5.4.1 整体坐层碰撞的初始状态
• 5.4.2 整体坐层碰撞力学建模
• 5.4.3 整体坐层碰撞运动方程的数值解法
• 5.4.4 整体坐层碰撞算例
• 5.5 边跨坍塌碰撞行为
• 5.5.1 边跨坍塌碰撞的初始状态
• 5.5.2 边跨坍塌碰撞力学建模
• 5.5.3 边跨坍塌碰撞运动方程的数值解法
• 5.5.4 边跨坍塌碰撞算例
• 5.6 中间跨坍塌碰撞行为
• 5.6.1 梁铰失效碰撞情况
• 5.6.2 柱铰失效且无侧移碰撞情况
• 5.6.3 柱铰失效且有侧移情况
• 5.6.4 梁铰均失效的碰撞情况
• 5.7 与吴波等人的试验对比
• 5.8 碰撞反应的参数分析
• 5.8.1 质量对碰撞反应的影响
• 5.8.2 阻尼比对碰撞反应的影响
• 5.8.3 层高对碰撞反应的影响
• 5.8.4 混凝土强度等级对碰撞反应的影响
• 5.9 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 附录A 符号变量表
• 附录B 主要计算程序
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢