直接基于位移的PPC框架抗震设计理论及其初步应用研究

论文摘要

地震灾害给人类带来了巨大的损失,如何保证大震下的生命安全和减少地震经济损失已经成为抗震设计的主要目标之一。基于位移的抗震设计方法能够满足业主不同性能水准的需求,并且直接以结构位移作为设计控制参数,能够更好的控制结构在地震作用下的变形,进而保证抗震目标的实现。本文在课题组研究的基础上,通过理论分析并采用OpenSees软件进行Pushover模拟计算,研究了PPC框架结构直接基于位移的抗震设计理论及其初步应用,对屈服时刻的阻尼比、罕遇地震作用下梁柱等效弹性刚度的折减系数、同时满足多个性能水准要求的设计方法、目标位移如何有效控制等方面进行了进一步的研究,指出了目前直接基于位移的抗震设计方法存在不足之处,并给出了一定的改进建议。主要研究工作包括:①屈服刚度。通过收集国内多榀单层单跨有粘结预应力混凝土框架结构在水平反复荷载作用下的滞回曲线并进行分析,给出屈服时刻的阻尼比为ξeq=0.1;同时参考我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）,建议各个设防烈度下屈服时刻地震影响系数最大值αmax的取值:6度、7度（0.1g）、7度（0.15g）、8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度分别为0.11、0.21、0.32、0.42、0.63、0.84;根据屈服时刻的阻尼比、水平地震作用影响系数等参数,通过位移反应谱确定屈服刚度。②罕遇地震下梁柱等效弹性抗弯刚度折减系数。在罕遇地震作用下,梁柱的刚度已经退化,所以在进行该水准地震作用下的内力计算时应该考虑梁柱刚度的退化。本文采用梁柱刚度折减系数的方法来近似考虑梁柱刚度退化以反映结构在罕遇地震作用下体现出来的非线性特征,以便采用等效弹性方法进行罕遇地震作用下内力计算。通过对四榀预应力混凝土框架结构分别进行罕遇地震下pushover和折减刚度的等效弹性分析,给出了预应力混凝土框架结构在罕遇地震作用下内力计算时,等效弹性刚度折减系数的取值范围:梁为0.30.45,柱为0.70.8。③多性能水准的直接基于位移的抗震设计方法。基于业主多个性能水准的需求,本文提出了一种多性能水准的直接基于位移的抗震设计方法:“基本完好”性能水准下设计方法与现行规范基于力的抗震设计方法相同;“防止倒塌”性能水准下则采用标准组合,活载组合系数取为0.5,材料取值均采用标准值,与现行规范不同之处在于同时考虑内力调整系数及承载力调整系数。然后,针对多个性能水准要求,分别进行各个性能水准下抗震设计和非抗震设计,最后对比各个工况下的梁柱配筋情况,分别选取梁柱配筋的最大值作为最终的配筋结果。并通过两榀8度0.2g区的预应力混凝土框架结构的设计实例,初步验证了本文提出的方法的有效性。④目标位移的有效控制。针对性能点位移小于设计目标位移的情况,通过两榀8度0.2g区的预应力混凝土框架结构的设计实例分析,总结出影响目标位移不能有效控制的主要因素有:结构存在着明显超强及“防止倒塌”性能点时刻的位移模式与设计位移模式的差异较大。算例通过采用考虑强柱系数、材料平均值与标准值的差异、承载力调整系数、构造措施等的折减系数Ω的计算公式对基底剪力进行折减,同时采用结构在性能点时刻的位移模式对结构的位移模式进行修正,使得目标位移的控制得到了明显的改善。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于性能的抗震设计理论
• 1.3 基于位移的抗震设计方法
• 1.3.1 按延性系数设计方法
• 1.3.2 能力谱法
• 1.3.3 直接基于位移的抗震设计方法
• 1.4 直接基于位移的抗震设计方法研究现状
• 1.4.1 性能水准的划分和量化
• 1.4.2 目标位移
• 1.4.3 结构侧移模式的确定
• 1.4.4 位移反应谱的建立
• 1.4.5 等效阻尼比的确定
• 1.5 预应力混凝土结构直接基于位移的抗震设计理论研究现状
• 1.6 本文的研究目的与研究内容
• 2 直接基于位移抗震设计方法参数的选取
• 2.1 引言
• 2.2 性能水准的划分及量化
• 2.3 位移模式
• 2.4 等效单自由度体系
• 2.5 位移反应谱
• 2.6 等效阻尼比
• 2.7 等效刚度
• 2.7.1 等效刚度的确定
• 2.7.2 屈服刚度的求解
• 2.8 静力弹塑性分析方法
• 2.9 地震工程仿真开放系统OpenSees 的介绍
• 2.9.1 本文有限元模型建立
• 2.9.2 有限元模型非线性分析
• 2.9.3 计算结构输出
• 3 罕遇地震作用下梁柱等效弹性刚度的折减系数
• 3.1 引言
• 3.2 刚度调整思想
• 3.2.1 Priestley, M.J. Nigel 的思想
• 3.2.2 本文的思想
• 3.3 预应力混凝土框架结构算例设计
• 3.3.1 预应力框架结构工程概况
• 3.3.2 结构荷载取值
• 3.3.3 构件尺寸的初步设计
• 3.3.4 结构侧移模式的确定
• 3.3.5 结构屈服刚度的计算
• 3.3.6 等效计算
• 3.3.7 预应力混凝土框架算例材料参数
• 3.3.8 预应力混凝土框架配筋
• 3.4 预应力混凝土框架分析结果
• 3.4.1 梁柱刚度折减系数为（0.3,0.5）结果
• 3.4.2 YKJ-1 框架迭代计算结果
• 3.5 新一组预应力混凝土框架设计
• 3.5.1 YKJ-2 刚度调整系数的确定
• 3.5.2 YKJ-3 刚度调整系数的确定
• 3.5.3 YKJ-4 刚度调整系数的确定
• 3.6 PPC 框架“防止倒塌”性能水准下刚度折减系数
• 3.7 本章小结
• 4 满足多性能水准的直接基于位移的抗震设计方法
• 4.1 引言
• 4.2 实现多性能水准的DDBD 方法
• 4.2.1 本文性能水准的划分及量化
• 4.2.2 实现多性能水准的DDBD 思想
• 4.3 YKJ-5 算例分析
• 4.3.1 基本概况
• 4.3.2 YKJ-5“基本完好”性能水准下的DDBD 设计
• 4.3.3 YKJ-5“轻微损坏”性能水准下DDBD 设计
• 4.3.4 YKJ-5“防止倒塌”性能水准下的DDBD 设计
• 4.3.5 各性能水准下预应力框架的设计方法
• 4.3.6 各性能水准下预应力框架配筋设计
• 4.3.7 非抗震情况下的预应力框架设计
• 4.3.8 YKJ-5 各个工况下的配筋结果
• 4.3.9 YKJ-5 的pushover 分析
• 4.4 YKJ-6 算例分析
• 4.4.1 YKJ-6“基本完好”性能水准下的DDBD 设计
• 4.4.2 YKJ-6“轻微损坏”性能水准下的DDBD 设计
• 4.4.3 YKJ-6“防止倒塌”性能水准下的DDBD 设计
• 4.4.4 YKJ-6 各个工况下的配筋结果
• 4.4.5 YKJ-6 的pushover 分析
• 4.5 本章小结
• 5 本文提出的 DDBD 方法的不足之处及改进建议
• 5.1 引言
• 5.2 预应力混凝土框架结构基于力的抗震设计
• 5.2.1 预应力混凝土框架工程概况
• 5.2.2 预应力混凝土框架抗震设计配筋结果
• 5.2.3 YKJ-7、YKJ-8 的pushover 分析结果
• 5.3 两种抗震设计方法设计结果的对比
• 5.3.1 基底剪力
• 5.3.2 抗震性能
• 5.4 本文提出的DDBD 方法的不足之处
• 5.4.1 预应力混凝土框架的耗能机制
• 5.4.2 结构设计超强
• 5.4.3 目标位移不能有效控制
• 5.5 直接基于位移的抗震设计方法的改进建议
• 5.5.1 “防止倒塌”性能水准下超强系数Ω的引入
• 5.5.2 验证超强系数方法
• 5.5.3 侧移模式的修正
• 5.5.4 六层PPC 框架YKJ-2 的修正
• 5.5.5 “防止倒塌”性能水准下的超强系数Ω估算法
• 5.6 本章小结
• 6 结语
• 6.1 完成的主要工作
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录