地震作用下偏心结构扭转反应研究

摘要

历次地震的震害经验表明，偏心结构在地震作用下的扭转耦联反应是造成结构抗震性能退化的重要原因。关于结构地震扭转反应的研究仍不成熟，对某些学术问题仍存争议。本文围绕偏心结构在地震作用下的扭转反应这一主题，对以下问题进行了研究： 1．分别考察刚度分布、质量分布和地震波扭转分量对偶然扭转的影响，结合抗震规范对偶然偏心距的取值进行了研究。在考虑扭转耦联效应的条件下，计入结构侧扭周期比和长宽比的影响，提出了偶然扭转效应增大系数的计算方法和建议取值； 2．在考虑结构构件刚度与屈服强度互制关系的条件下，分别研究了质量偏心体系、刚度偏心体系的强度分布对其弹塑性扭转反应的影响。通过弹塑性时程分析，得到了强度分布控制弹塑性扭转的作用机理，得到了质量偏心体系和刚度偏心体系强度分布影响弹塑性扭转反应的规律。研究结果表明，刚度偏心体系应使强度偏心率接近零，质量偏心体系应使强度偏心率接近质量偏心率，结构弹塑性扭转反应最小；而具体取值与输入地震动强度有关。对国内外不同规范定义的设计偏心距的算例进行了计算，由设计偏心距调整偏心结构地震作用的空间分布和强度分配，对控制结构弹塑性扭转具有显著作用； 3．采用纤维模型对偏心结构进行双向地震输入下的弹塑性时程分析，得到了偏心结构在双向地震作用下的扭转反应规律。研究结果表明，与单向地震作用相比，偏心结构整体扭转反应增大、横向变形增加、柔性边和刚性边的最大变形和延性需求表现出不同的趋势。通过参数分析，得到双向地震作用下结构弹塑性扭转反应受刚度偏心距、强度偏心距和自振周期的影响规律。基于地震主轴系理论，研究了地震输入最不利方向的问题； 4．对Pushover方法应用于偏心结构的问题进行了研究。推导了单层单向偏心结构、双向地震下单层偏心结构和剪切型多层偏心结构的等效单自由度体系的等效过程。用三维Pushover方法评估了偏心结构的静力弹塑性性能，考查了其能力曲线和层间位移与对称结构的差别。通过Pushover方法，验证了偏心框架剪力墙结构因框架部分与剪力墙部分变形性质不同而产生的顶层反向扭转，得到其随弹塑性状态的变化规律。对偏心结构考虑双向地震作用的Pushover方法进行了研究，结果表明，正交两方向Pushover分析结果按SRSS(平方和开平方)组合，可有效弥合与双向时程分析结果的差别； 5．对设计相关的若干问题进行了研究。对偏心率、侧扭周期比、扭转位移比作为扭转不规则判别指标进行了评估，通过参数分析，得到了扭转位移比值受结构非耦联侧扭周期比、长宽比以及偏心距的影响规律。根据结构屈服机制，定量计算了偏心结构因扭转造成的延性能力降低和承载能力降低。提出框架剪力墙结构等效偏心距概念和计算方法，根据无限自由度体系的动力特性得到了自振周期比与偏心率之间的关系。考查偏心距的动力效应，得到偏心距动力放大系数的变化规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究动机

1.2研究现状与进展

1.2.1偶然扭转的问题

1.2.2弹性侧扭耦联反应

1.2.3弹塑性扭转反应

1.2.4双向地震作用

1.2.5试验研究

1.2.6 Pushover方法的应用

1.3研究目的

1.4论文结构

第2章偶然扭转的产生与影响

2.1引言

2.2刚度偶然偏心

2.2.1名义刚度与实际刚度

2.2.2分析模型与动力方程

2.2.3材料性质的变异

2.2.4边缘位移比

2.2.5刚度偶然偏心距

2.3质量偶然偏心

2.4地震波扭转分量

2.4.1地震动扭转分量的研究现状

2.4.2计算扭转分量的两点差法

2.4.3计算中采用的地震波扭转分量

2.4.4考虑扭转分量输入的运动方程

2.4.5地震动扭转分量的偶然偏心距

2.5偶然偏心距的设计取值

2.6偶然扭转的静力和动力计算

2.6.1偶然扭转的静力计算

2.6.2偶然扭转的动力计算

2.6.3偶然扭转造成的效应增大

2.7 小结

第3章强度偏心的弹塑性扭转反应

3.1引言

3.2刚度偏心与强度偏心的关系

3.3刚度偏心体系的强度分配

3.3.1分析模型与参数

3.3.2强度偏心的弹塑性扭转反应

3.3.3强度偏心的作用机理

3.3.4输入地震动强度的影响

3.4质量偏心体系的强度分配

3.4.1分析模型与参数

3.4.2强度偏心的弹塑性扭转反应

3.5设计偏心距的评估

3.5.1设计偏心距的取值

3.5.2算例

3.6小结

第4章双向地震作用下的扭转问题

4.1引言

4.2考虑双轴耦合作用的柱分析模型

4.2.1柱双轴模型的研究现状

4.2.2混凝土柱的双轴弯曲模型

4.3结构在双向地震作用下的弹塑性反应

4.3.1结构体系与输入地震波

4.3.2双向地震作用下的对称结构

4.3.3双向地震作用下的偏心结构

4.3.4双向地震作用下扭转反应的影响因素

4.4结构扭转的最不利地震波入射方向

4.4.1地震动各分量的相关性

4.4.2反应谱分析结果的组合

4.4.2弹性时程分析结果的组合

4.5小结

第5章偏心结构考虑扭转的静力弹塑性分析

5.1引言

5.2 Pushover分析方法的基本理论

5.2.1基本假定

5.2.2 Pushover分析的实施步骤

5.2.3加载模式

5.2.4目标位移

5.3 Pushover分析方法对偏心结构的适用性

5.3.1等效单自由度体系

5.3.2适用性的判断

5.3.3等效为单自由度体系的方法

5.4单向偏心结构的Pushover分析

5.4.1结构模型与参数

5.4.2偏心框架与框剪结构结果对比

5.4.3不同侧向力分布的结果对比

5.5双向地震作用下的Pushover

5.5.1结构模型与参数

5.5.2能力曲线与出较顺序

5.5.3与时程分析结果对比

5.6小结

第6章抗震设计考虑扭转的若干问题

6.1引言

6.2扭转不规则的判断

6.2.1判定指标之一——偏心率

6.2.2判定指标之二——位移比值

6.2.3判定指标之三——周期比

6.2.4参数分析

6.2.5对判定方法的讨论

6.3考虑扭转影响的结构抗震性能退化

6.3.1考虑扭转的等效侧向刚度

6.3.2偏心结构的延性和屈服机制

6.3.3抗力中心与承载能力

6.3.4算例

6.4刚度中心与等效偏心距

6.4.1刚度中心的定义

6.4.2剪切型结构的刚度中心

6.4.3框剪结构的等效偏心距

算例

6.5偏心距的动力效应

6.6小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢