不同阻尼模型对抗震结构能量耗散影响分析

摘要

基于能量概念的分析和设计方法概念明确、形式简单，又能够较好地反映地震动的强度、频谱特性，特别是强震持续时间对结构的累积损伤破坏的综合影响。因此，结构地震反应能量分析方法逐渐受到国内外地震工程研究界的重视，人们对它的研究也取得了一定的进步。在基于能量概念的分析方法中，地震波输入给结构的总能量(总输入能)主要通过阻尼耗能和滞回耗能来耗散，由于采用不同阻尼模型计算获得的阻尼耗能有可能不同，所以同一结构采用不同阻尼模型进行耗能分析时，获得的结论可能相差甚远。因此，了解不同阻尼模型对结构耗能分析影响的方式及程度是能量分析方法应用的前提。基于阻尼模型选择的重要性，本文以此作为研究内容做了如下工作：
　　 ①本文对按照中国抗震规范8度设防烈度设计4层、5层、7层、9层、11层、13层和15层框架结构，然后应用有限元软件ABAQUS对多自由度平面框架进行建模和弹塑性分析，求出其各能量和位移的地震反应和相应的时程曲线。其中，与以往的能量反应分析不同，不是将梁柱视为一个单元的截面恢复力模型，把梁柱的质量集中到梁柱的两端，而是从结构材料的本构关系出发，应用材料恢复力模型，将梁柱进行单元细分，采用一致质量矩阵和刚度矩阵，避免因为过多的假设而导致误差增大。
　　 ②考虑地震动因素和结构自身动力特性因素下，分析采用三种不同的阻尼模型时平面框架结构总输入能及总输入能分配的变化规律，重点求出由于选取不同的阻尼模型对计算总输入能及总输入能的耗散所带来的差异，初步定性和定量地得出了这些差异的规律。
　　 ③考虑在地震动因素和结构自身动力特性因素下，采用三种不同的阻尼模型时平面框架结构滞回耗能和阻尼耗能在梁柱之间分配的变化规律，重点求出由于选取不同的阻尼模型对计算梁柱的滞回耗能和阻尼耗能在总滞回耗能和总阻尼耗能的比例所带来的差异，初步定性和定量地得出了这些差异的规律。
　　 ④分析单根梁内部各部位滞回耗能与阻尼耗能分布情况，以及三种不同的阻尼模型的选取对计算单根梁内部各部位滞回耗能与阻尼耗能分布带来的差异。
　　 ⑤通过以上分析给出适合用于能量反应分析的阻尼模型的建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1抗震设计思想的发展

1.1.1抗震设计发展的阶段

1.1.2我国目前的抗震设计思想

1.1.3位移单一指标评估结构性能的不足及补充能量分析的重要性

1.2抗震结构能量反应分析理论及方法

1.2.1国内外研究综述

1.2.2目前存在的问题

1.3本文研究的主要内容

2 阻尼机理及模型

2.1引言

2.2阻尼机理

2.2.1材料阻尼

2.2.2流体的粘滞阻尼

2.2.3结合面阻尼与库仑摩擦阻尼

2.2.4冲击阻尼

2.2.5磁电效应产生的阻尼

2.3阻尼模型

2.3.1粘滞阻尼模型

2.3.2复阻尼模型

2.4各种阻尼模型在结构抗震分析中的选取

2.5本章小结

3 基于ABAQUS有限元软件的抗震框架非线性地震反应分析

3.1引言

3.1.1 ABAQUS软件介绍

3.1.2 ABAQUS在动力弹塑性分析中的应用

3.2 ABAQUS提供的弹塑性损伤本构模型

3.2.1弹塑性损伤模型的功能

3.2.2混凝土中加入钢筋的实现

3.2.3混凝土模型屈服条件

3.2.4混凝土模型流动法则

3.2.5混凝土模型混凝土刚度恢复

3.3体系动力响应求解方法

3.3.1振型分解法

3.3.2直接积分法

3.3.3基于ABAQUS有限元软件的隐式直接积分方法

3.4算倒PKPM建模与配筋

3.5 ABAQUS中结构建模

3.5.1模型材料的定义

3.5.2单元的选择

3.5.3加入钢筋

3.5.4构件单向加载的力学性能

3.5.5计算模型

3.5.6恢复力模型

3.6本章小结

4 抗震结构能量反应分析

4.1能量反应的两种定义

4.2多自由度结构的能量反应方程及求解

4.3影响抗震结构能量反应的因素分析

4.3.1地面运动参数及地面运动的分类

4.3.2地震动幅值

4.3.3地震动频谱特性

4.3.4地震动持时

4.3.5地面运动的分类

4.4输入地震波的选择

4.5本章小结

5 阻尼模型对总输入能量耗散的影响

5.1阻尼模型对不同动力特性的结构总输入能量耗散的影响

5.1.1阻尼模型的选择对不同自振周期的平面框架总输入能耗散的影响

5.1.2阻尼模型的选择对不同阻尼比的结构总能量耗散的影响

5.2考虑不同地震动因素时阻尼模型的选择对总输入能的影响

5.2.1输入不同频谱特性的地震波时阻尼模型的选择对总能量耗散的影响

5.2.2不同持时的地震动作用下阻尼模型的选取对总输入能耗散的影响

5.3本章小结

6 阻尼模型对构件间能量分配和梁内部耗能分配的影响

6.1阻尼模型对不同动力特性的结构构件问能量分配的影响

6.1.1阻尼模型的选择对不同自振周期的结构构件间能量分配的影响

6.1.2阻尼模型的选择对不同阻尼比的结构构件间能量分配的影响

6.2在地震动因素下阻尼模型的选择对构件间能量分配的影响

6.2.1输入不同频谱特性的地震波时阻尼模型的选择对构件间能量分配的影响

6.2.2不同持时地震动作用下阻尼模型的选择对构件间能量分配的影响

6.3不同模型的选取对粱内部耗能分配的影响

6.4本章小结

7 结语

7.1本文主要研究工作和结论

7.2需要进一步研究的工作

致 谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文