近场强震作用下防屈曲支撑钢框架结构的耗能减振与损伤分析

论文摘要

历次强震经验证明,具有明显长周期速度脉冲特征的近断层地震动会对人口高度密集、财富高度集中的现代化城市造成严重破坏,引发的经济损失和人员伤亡令世人震惊,因此近断层地震动作用下工程结构地震反应的研究受到地震工程学领域的热切关注。为防止致命性倒塌,采取性能优良的防屈曲支撑作为结构的第一道抗震防线,可避免不必要的经济损失和人员伤亡。在做好防震抗震工作并了解结构抗震性能的基础上,如何定量描述地震作用下结构的损伤破坏程度一直受到地震工程界的高度重视。因此本文结合上述问题,进行了如下主要研究工作:首先,以1999年台湾集集地震的典型近震、远震和常用近震各三条记录作为地震动输入,分别对12和20层加设防屈曲支撑的钢框架结构进行耗能减振分析,从变形和能量的角度探讨近断层地震动对结构抗震性能的影响;并结合一栋10层防屈曲支撑钢框架结构,采用能较好地反映地震动幅值、频率特性,特别是强震持时对结构累积损伤破坏综合影响的能量分析方法,探讨结构的变形和能量反应与其抗震性能和破损之间的内在联系。其次,采用Pushover方法对防屈曲支撑钢框架结构进行性能分析,与非线性时程分析结果比较,探讨Pushover方法评估结构在典型近震和常用近震作用下的非线性性能的可行性。同时,探讨侧向加载模式对结构性能分析的影响,以及防屈曲支撑对结构能力谱、需求谱和破坏机制等的影响。最后,计算结构整体和各层损伤指数,引入能衡量结构累积能量损耗的滞回耗能循环次数指标。考虑到地震动与结构都包含大量不确定因素和不可控条件,以及结构损伤本身的模糊性,引入模糊子集和模糊隶属度的概念,运用模糊数学中的模糊综合评判方法,综合整体损伤指数、层损伤指数、层间位移角和滞回耗能循环次数四者,进行结构多元模糊地震损伤评估。结果表明,具有明显长周期速度脉冲特征的近震,对结构变形影响和能量输入是远震和常用近震下的几倍;防屈曲支撑既能大幅度控制结构变形、耗散50%左右地震输入能量,又能减小结构自振周期使其避开近震的长周期速度脉冲效应,发挥第一道防线作用;综合采用不同指标,进行结构多元模糊地震损伤评估,可使结构抗震安全性评定具有科学的多指标综合含义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 近场地震动的研究现状
• 1.2.1 近场地震动的定义和特点
• 1.2.2 近场地震动对工程结构影响
• 1.2.3 各国规范对近场问题的考虑
• 1.3 耗能减振技术的研究现状
• 1.3.1 耗能减振装置
• 1.3.2 防屈曲支撑
• 1.3.3 防屈曲支撑钢框架
• 1.3.4 耗能减振分析方法
• 1.4 结构地震损伤评估的研究进展
• 1.4.1 材料层次地震损伤评估
• 1.4.2 构件层次地震损伤评估
• 1.4.3 结构层次地震损伤评估
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 近场地震动下防屈曲支撑钢框架结构体系的非线性时程分析
• 2.1 引言
• 2.2 非线性时程分析法
• 2.2.1 非线性时程分析方法概述
• 2.2.2 结构分析模型
• 2.2.3 结构非线性恢复力模型
• 2.2.4 结构动力方程的求解
• 2.3 能量分析方法
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 能量反应方程
• 2.3.3 地震动特性对结构地震反应的影响
• 2.4 防屈曲支撑平面钢框架结构近远场地震动分析
• 2.4.1 模型建立
• 2.4.2 近场记录的选用及调整
• 2.4.3 近远场地震动作用下结构变形计算
• 2.4.4 近远场地震动作用下结构能量计算
• 2.4.5 结构与防屈曲支撑的滞回性能
• 2.5 防屈曲支撑空间钢框架结构非线性时程分析
• 2.5.1 模型建立
• 2.5.2 地震记录的选用及调整
• 2.5.3 非线性时程分析结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 防屈曲支撑钢框架结构体系的Pushover分析
• 3.1 引言
• 3.2 静力弹塑性分析方法
• 3.2.1 静力弹塑性分析方法的研究概况
• 3.2.2 静力弹塑性分析方法的基本原理
• 3.2.3 静力弹塑性分析方法的侧向加载模式
• 3.3 结构目标位移的确定方法
• 3.3.1 能力谱法
• 3.3.2 等效位移系数法
• 3.4 防屈曲支撑平面钢框架结构Pushover分析
• 3.4.1 分析工况的定义
• 3.4.2 结构的能力曲线
• 3.4.3 结构塑性铰的发展和分布
• 3.4.4 Pushover分析与近远场地震动分析结果
• 3.5 防屈曲支撑空间钢框架结构Pushover分析
• 3.5.1 分析工况的定义
• 3.5.2 结构的能力曲线
• 3.5.3 结构静力与动力弹塑性分析结果对比
• 3.5.4 结构塑性铰的发展和分布
• 3.6 本章小结
• 第4章 防屈曲支撑钢框架结构多元模糊地震损伤评估
• 4.1 引言
• 4.2 结构损伤变量的定义及其性能指标
• 4.3 结构的滞回耗能循环次数
• 4.3.1 滞回耗能与循环需求的关系
• 4.3.2 力的折减系数
• 4.3.3 地震动能量需求
• 4.4 结构多元模糊损伤评估方法
• 4.4.1 模糊集和隶属度函数
• 4.4.2 结构模糊损伤评估模型的建立
• 4.4.3 多元模糊损伤评估程序
• 4.5 结构损伤计算
• 4.6 结构多元模糊损伤评估分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢