地震波不同输入角度对空间框架非线性反应的影响

摘要

理论研究与震害经验表明，地震时地面运动和结构的反应均是复杂的多维运动。目前有关涉及结构非线性地震反应的研究中，地震动主要是沿着结构的主轴单向输入和沿结构主轴双向输入，这显然是一种特殊情况。实际上，更为普遍的情况是地面运动可以沿建筑物的任意一个水平方向输入。因此，地震波以何种角度输入对结构地震反应的影响最不利是有待澄清的问题。
　　本文利用严格按照我国规范GB50010-2002和GB50011-2001设计的三个典型钢筋混凝土空间框架，在非线性动力分析平台OpenSees上对空间框架进行了多条地震动（单向）不同输入角度下罕遇地震作用的非线性反应分析。主要考察地震波不同输入角度对空间框架顶点位移、层间位移以及层间位移角分布的影响，且重点研究对空间框架塑性铰分布规律，包括杆端纤维应变、塑性铰的分布、塑性铰转动以及结构延性需求的影响。
　　通过以上分析，本文得出了以下主要结论：
　　从整体反应来看，九度（0.4g）区空间框架的顶点最大位移和层间位移角，地震波（从0度至180度）以15度的增量变化输入，沿结构主轴方向输入时最大，另一主轴方向接近于零，输入角度从0度至90度变化时，结构的纵轴方向依次成递减趋势，横轴方向依次成递增趋势，105度至180度输入时的规律与0度至90类似。8度（0.2g）区和七度（0.1g）区空间框架的顶点最大位移和层间位移角的规律与九度（0.4g）区类似。
　　从局部反应来看，九度（0.4g）区空间框架的梁、柱塑性铰分布规律是，从0度至90度梁、柱铰在纵轴方向数量上逐渐减少、转动大小也在减小；在横轴方向数量上逐渐增加、转动大小也在增大。其中45度方向输入时，梁、柱端塑性铰在两个主轴方向的出铰数量、转动大小均较为均衡，且数量变化不大。从层累积转角和转角延性需求看，0度和15度方向输入时框架梁的损伤明显大于框架柱，这表明是以梁铰为主的耗能机制。30度和45度方向输入时框架梁、柱的损伤基本相当，尤其是45度方向输入时框架梁、柱的损伤更为接近，形成了梁柱铰均衡地参与塑形耗能的状态。60度至90度方向输入时框架梁的损伤明显大于框架柱，也是以梁铰为主的耗能机制。90度至180度则与0度至90度规律类似。
　　八度（0.2g）区空间框架的梁、柱塑性铰分布规律与九度（0.4g）区类似，层累积转角和转角延性需求，各框架柱的层累积转角显著大于框架梁，表明框架柱沿层的损伤要比框架梁严重的多。各框架柱的延性需求远大于框架梁。其中45度方向输入时完全以柱端塑形耗能的方式抗震，其耗能方式仍然较0度和90度方向输入时更为不利。
　　七度（0.1g）区空间框架，0度、45度和90度方向输入时均以柱端出铰为主，且数量都很少，梁端基本没有出铰。各框架柱的层累积转角只有在个别楼层大于框架梁层累积转角，总体上框架柱和框架梁沿层的损伤均很小。

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1 绪 论

1.1 结构非线性反应分析中地震动输入方向的研究现状

1.2 本文的研究目的

1.3 本文的研究内容

1.4 本文非线性分析的技术条件

2 非线性分析程序OpenSees介绍

2.1 OpenSees程序概述

2.2 本文分析所涉及的OpenSees模型介绍

3 关于OpenSees中如何实现单向变角度问题的介绍

3.1 空间框架计算实例

3.2 与本章相关的程序概述

3.3 弹性阶段的验证

3.4 塑性阶段的验证

3.5 本章小结

4 结构非线性分析的准备

4.1 钢筋混凝土框架结构设计

4.2 有限元模型参数的确定

4.3 地震波的选择与处理方案

5 九度（0.4g）区框架非线性动力反应分析

5.1 空间框架地震反应对比评价内容

5.2 九度（0.4g）区空间框架罕遇地震下的分析结果与评价

6 八度（0.2g）区、七度（0.1g）区框架非线性动力反应分析

6.1 八度（0.2g）区空间框架罕遇地震下的分析结果与评价

6.2 七度（0.1g）区空间框架罕遇地震下的分析结果与评价

7 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 对后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附 录