考虑节点初始损伤的钢框架地震易损性分析

摘要

在美国北岭地震和日本阪神地震中，钢框架结构的损坏大多集中在节点处，尤其在梁柱节点的下翼缘处，震后调查报告分析得到，节点破坏的原因可归纳为——焊缝缺陷、焊接金属冲击韧度低、焊接热影响区屈服强度下降、焊接垫板造成的“人工裂纹”以及焊接残余应力与焊缝处应力集中的影响。由于节点初始损伤的存在，会影响结构的抗震性能，因此很有必要结合节点初始损伤等因素，对结构的抗震易损性进行研究。地震易损性分析是地震灾害分析中的主要部分，通过考虑结构和地震动等因素的不确定性，从概率的角度研究结构在各种强度等级地震作用下发生不同破坏状态的概率。目前为止，针对节点初始损伤对结构进行概率易损性分析的研究相对较少。大多数文献也只是提到节点初始裂纹损伤因素影响结构的力学性能，还没有具体研究考虑节点初始损伤的钢框架结构易损性分析，因此，结合节点初始损伤对结构进行抗震性能研究有利于在未来地震作用中很好地控制结构的破坏程度，将可能发生的财产损失以及人身伤害降到最低程度。
　　本文进行了如下研究:
　　(1)第二章考虑不同初始裂纹位置和尺寸的节点特性，采用了有限元软件ABAQUS建立节点模型，比对了考虑不同裂纹尺寸节点的断裂韧性。
　　(2)接着，第三章针对不同初始裂纹尺寸以及焊接热影响区梁构件屈服强度下降等初始损伤因素，考虑了结构以及地震动的不确定性，并选取顶点最大位移角(RDA)和位移延性比（μd）作为地震需求参数，选取地面峰值加速度(PGA)作为地震动参数，采用拉丁超立方抽样就不同初始损伤因素分别生成150个样本对，对其逐一进行动力弹塑性时程分析，得到地震需求参数与地震动强度参数之间的函数关系。
　　(3)第四章对结构进行概率抗震能力分析，通过Pushover推覆分析，得到每个样本对的荷载-位移能力曲线，其中顶点屈服位移采用几何作图法、等能量法、Park法这三种等效屈服点求解方法取其平均值得到，接着基于结构不同的性能水准，参考2016抗震规范、相关文献以及自定义的方法，结合Pushover荷载-位移能力曲线，提出以Pushover曲线直接定义各指标对应不同极限状态界限值的方法。
　　(4)最后，第五章在概率地震需求分析和概率抗震能力分析基础上，采用基于传统可靠度的理论分析方法，对初始裂纹a0=0mm,a0=8mm,a0=16mm,屈服强度不变和屈服强度下降的钢框架进行概率地震易损性分析，并以顶点最大位移角(RDA)和位移延性比（μd）为性能指标绘制地震易损性曲线。分别比较不同初始裂纹尺寸以及焊接热影响区屈服强度变化的钢框架在不同强度等级地震下发生各种破坏状态的概率，以及研究不同性能指标对应的易损性曲线的差异，并分析了平面框架模型、线框架模型以及多尺度耦合模型得到的地震易损性曲线有何不同，给出了分析结构概率易损性建立模型的参考意见。
　　本文对带有节点初始损伤的钢框架易损性分析可以为此类钢框架的结构设计提供一定的理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 钢框架梁柱节点损伤研究现状

1．1．1 节点破坏模式

1．1．2 节点破坏原因分析

1．1．3 节点断裂分析的理论研究现状

1．2 结构易损性

1．2．1 结构易损性的概念

1．2．2 结构易损性的研究现状

1．2．3 结构易损性的分析方法

1．3 选题背景及意义

1．4 研究内容与目的

第二章 钢框架梁柱节点带初始损伤的有限元断裂分析

2．1 弹塑性断裂力学有限元分析基本原理

2．2 研究对象与目的

2．2．1 随机参数的选取

2．2．2 焊缝断裂韧性

2．2．3 有限元模型模型

2．2．4 材料模型

2．2．5 梁柱节点失效的判别指标

2．3 考虑初始损伤的梁柱节点有限元断裂分析

2．3．1 带初始裂纹节点的线弹性有限元断裂分析

2．3．2 带初始裂纹节点的弹塑性有限元断裂分析

2．4 本章小结

第三章 考虑初始损伤钢框架的概率地震需求分析

3．1 概述

3．2 结构的概率地震需求分析

3．2．1 概率地震需求模型

3．2．2 地震动强度参数的选取

3．2．3 地震需求参数的选取

3．2．4 概率地震需求分析的分析步骤

3．3 带有节点初始损伤钢框架的有限元模型

3．3．1 多种有限元模型的提出

3．3．2 动力弹塑性时程分析

3．3．3 结构地震波的选取与输入

3．4 结构-地震动样本的随机性

3．4．1 结构的随机性

3．4．2 地震动的随机性

3．4．3 随机变量概率分布类型

3．5 结构-地震动随机样本的生成

3．5．1 拉丁超立方抽样

3．5．2 样本空间的生成

3．6 非线性动力弹塑性时程分析算例

3．6．1 以顶点最大位移角为指标的地震需求分析

3．6．2 以位移延性比为指标的地震需求分析

3．6．3 不同初始损伤状态的RDA需求分析比较

3．6．4 不同有限元模型RDA需求分析的比较

3．7 本章小结

第四章 考虑初始损伤钢框架的概率抗震能力分析

4．1 概述

4．2 结构的概率抗震能力分析

4．2．1 概率抗震能力模型

4．2．2 概率抗震能力分析的随机性

4．2．3 概率抗震能力分析的步骤

4．3 静力弹塑性Pushover分析方法

4．3．1 基本原理

4．3．2 静力弹塑性Pushover分析的实施步骤

4．3．3 侧向加载模式

4．4 结构屈服位移的确定

4．4．1 Pushover曲线上屈服点的定义

4．4．2 算例分析

4．5 结构不同破坏状态的界定

4．5．1 破坏状态与极限状态

4．5．2 破坏状态的划分

4．5．3 极限状态的定义

4．6 本章小结

第五章 考虑节点初始损伤的钢框架概率地震易损性分析

5．1 概述

5．2 结构的概率地震易损性分析

5．2．1 概率地震易损性分析的基本原理

5．2．2 地震易损性分析的的分析方法

5．2．3 地震易损性分析的分析步骤

5．3 地震易损性曲线的建立

5．3．1 获取地震易损性曲线的方法

5．3．2 地震易损性曲线的数学模型

5．4 考虑节点初始损伤的钢框架结构易损性对比分析

5．4．1 考虑初始损伤的结构地震易损性分析比较

5．4．2 不同初始损伤易损性曲线分析比较

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢