复杂高层钢-混凝土结构地震损伤时变特性研究

摘要

近年来，钢-混凝土组合结构由于优良的抗震性能得到广泛应用，但其结构形式相对复杂，对于结构的性能化设计要求更为严格。混凝土材料在服役期间性能存在一定程度的时变性，往往会导致服役期内结构抗震性能的改变，使得结构抗震设计存在一定的偏差，这样的偏差对于复杂高层钢-混凝土组合结构等设计精度要求较高的结构的影响尤其不能忽视。
　　结构抗震性能的改变将导致结构内部损伤的变化，因此可以通过分析结构遭遇地震时结构损伤值的变化来表征和量化结构的抗震性能。通过改变结构的材料特性，模拟服役期各时段的结构服役状态，通过弹塑性分析方法得出该服役期下结构遭遇地震时的结构响应，运用合理的损伤评估方法建立可与结构设计水准相对应的损伤模型，研究服役期内的结构损伤时变特性并与对应的设计要求相对照，就能够准确地预估结构在服役期内的抗震性能的变化，确定混凝土材料时变特性对于结构抗震性能的影响，对复杂高层钢-混凝土组合结构的抗震性能评估及防灾减灾具有重要的参考意义。
　　针对具备时变特性的复杂高层钢-混凝土组合结构，通过改变材料关键参数的方法呈现结构中混凝土材料的时变特性。由于结构的刚度、阻尼等关键参数受材料时变特性影响在服役期内具备“变量”特点，在遭遇地震作用时又有“常量”的特性，提出将上述参数作为“拟变量”处理，实现在进行动力弹塑性时程分析时考虑材料时变特性来获取结构损伤时变特性的方法。通过考虑材料时变特性的动力弹塑性分析方法，获得服役期内结构遭遇地震作用时的动力响应。
　　根据结构动力响应分别建立基于层间位移的整体法和基于构件损伤的加权组合法的结构损伤时变模型。根据钢-混凝土组合结构在地震作用下的破环机理和损伤时变效应的研究需要，选取合理的损伤评估准则，参照该准则与规范中结构抗震设防要求的对照关系，建立可与结构各级性能标准对照的多级整体法结构地震损伤时变模型;参照钢-混凝土组合结构中主要构件在地震作用下的损伤特点和构件各级性能标准与动力响应的对应关系，建立多级构件地震损伤时变模型，通过加权组合法建立多级结构地震损伤时变模型。运用上述具备性能对照标准的整体法结构损伤时变模型和加权组合法结构地震损伤时变模型，研究复杂高层钢-混凝土组合结构地震损伤时变规律。
　　运用结构有限元分析软件建立典型的复杂高层钢-混凝土组合结构算例，运用弹塑性纤维单元模型定义钢筋混凝土构件和型钢混凝土构件纤维梁单元材料本构，通过控制荷载及边界条件实现地震波的时程输入。运用考虑材料时变特性的动力弹塑性时程分析方法获得服役期内的结构地震响应，通过结构损伤时变模型定量分析复杂高层钢-混凝土组合结构时变特性，得出如下结论:该结构在服役期内呈现显著的时变特性;在结构设计值符合要求的前提下，多遇地震和罕遇地震工况下均出现由于时变特性导致的结构损伤变化，甚至可能超出相应的性能限值;结构刚度变化会引起的抗侧向作用能力和地震作用传导能力的共同变化，因此结构时变损伤值呈现一定的波动性，其中结构抗侧向作用能力变化起主导作用;地震作用越大时，地震作用传导能力变化对结构损伤的影响越大，导致结构时变损伤值波动现象越明显，结构的振动形态也会发生显著变化;对比服役期内的结构地震损伤与不考虑材料时变特性的设计值的差异，评估材料时变特性对于结构抗震设计准确性的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 相关领域的研究现状

1．2．1 结构动力弹塑性时程分析方法

1．2．2 结构损伤模型研究

1．2．3 结构时变状态分析

1．3 本文的主要工作

第2章 考虑材料时变特性的动力弹塑性时程分析方法

2．1 混凝土材料时变特性分析

2．1．1 混凝土材料强度损伤时变模型

2．1．2 混凝土材料弹性模量的时变模型

2．2 结构的弹塑性分析方法

2．2．1 静力弹塑性分析方法

2．2．2 动力弹塑性时程分析方法

2．2．3 地震波的选择

2．3 考虑材料时变特性的动力弹塑性时程分析方法

2．3．1 考虑材料时变特性的结构振动方程的建立

2．3．2 考虑材料时变特性的结构振动方程的求解

2．4 通用有限元软件在动力弹塑性时程分析中的应用

2．5 本章小结

第3章 钢-混凝土组合结构地震损伤时变模型

3．1 基于整体法的结构地震损伤时变模型研究

3．1．1 结构的整体损伤评估方法

3．1．2 基于变形和地震破坏等级的结构损伤时变模型

3．1．3 基于整体法的结构损伤时变模型

3．2 构件的时变损伤评估

3．2．1 构件损伤评估方法

3．2．2 主要构件的地震损伤时变模型的建立

3．3 基于加权组合法的结构地震损伤时变模型研究

3．3．1 评估结构损伤的加权组合法

3．3．2 楼层损伤时变模型的建立

3．3．3 基于加权组合法的结构损伤时变模型

3．4 本章小结

第4章 复杂高层钢-混凝土组合结构地震损伤时变特性分析

4．1 复杂高层钢-混凝土组合结构有限元模拟

4．1．1 构件纤维模型

4．1．2 混凝土材料纤维本构模型

4．1．3 钢材纤维本构模型

4．1．4 选取地震波输入模型

4．2 多遇地震下的结构损伤时变效应

4．2．1 运用整体法损伤模型分析多遇地震下结构损伤时变特性

4．2．2 运用加权组合法损伤模型分析多遇地震下结构损伤时变特性

4．3 罕遇地震下的结构损伤时变效应

4．3．1 运用整体法损伤模型分析罕遇地震下结构损伤时变特性

4．3．2 运用加权组合法损伤模型分析罕遇地震下结构损伤时变特性

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 完成的主要工作与主要研究结论

5．2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文