钢筋混凝土消能减震框架结构抗地震倒塌易损性分析

摘要

与传统抗震设计不同，结构的减震设计通过在结构上设置减震装置，利用减震装置消耗地震能量，达到减轻主体结构地震响应的目的。无论是采用减震设计的结构还是抗震设计的结构都需要满足“大震不倒”的抗震要求，并还需具有足够的抗倒塌安全储备来抵抗可能遭遇的更大地震下的倒塌破坏。当黏滞流体阻尼器应用于既有建筑物的加固时，由于黏滞流体阻尼器对结构只附加阻尼而不附加刚度，加固后结构的抗震与抗倒塌性能必然是优于原结构的;当黏滞流体阻尼器应用于新建建筑物时，该结构截面尺寸或配筋较相同地震作用下抗震设计的结构有一定的优化减小，考虑减震设计结构截面配筋优化后，阻尼器对减震设计结构抗倒塌性能的提升作用有多大，需要进一步研究。
　　本文以钢筋混凝土框架结构为例，通过基于动力增量时程分析的抗地震倒塌易损性分析方法，对采用黏滞流体阻尼器减震设计结构的抗地震倒塌能力进行相关分析研究，定量对比分析了减震设计结构和抗震设计结构的抗地震倒塌性能，主要研究工作和成果如下:
　　(1)根据我国现行抗震规范按设防烈度为7.5度、8度和8.5度分别设计了6层和9层抗震设计钢筋混凝土框架结构，并按照主体结构地震作用降半度的消能减震设计目标设计了相应的减震设计结构，消能减震设计采用黏滞流体阻尼器。采用MARC软件建立各结构的弹塑性分析模型。
　　(2)对附设线性黏滞流体阻尼器和非线性黏滞流体阻尼器减震设计结构的抗倒塌能力进行对比研究。分析了附设线性黏滞流体阻尼器减震设计结构抗地震倒塌能力弱于附设非线性黏滞流体阻尼器减震设计结构的原因，发现线性黏滞流体阻尼器与非线性黏滞流体阻尼器相比虽然能够提供较大的附加阻尼力，但同时阻尼器对连接柱的附加轴力作用也很明显，导致结构底层柱更易发生破坏，从而降低结构的抗地震倒塌能力。
　　(3)对不同设防烈度抗震设计和减震设计结构的抗倒塌能力进行评价研究。研究发现不同设防烈度下抗震设计与减震设计结构都能满足“大震不倒”性能要求，且都具有足够的抗倒塌安全储备。设防烈度8度和8.5度时，抗震设计与减震设计结构甚至能够满足“特大震不倒”性能要求，而设防烈度7.5度时，抗震设计与减震设计结构在特大震下的抗倒塌能力略显不足。
　　(4)对不同设防烈度下减震设计结构与抗震设计结构抗倒塌能力进行对比研究。研究结果表明，设防烈度7.5度时，减震设计框架结构的抗倒塌能力强于抗震设计框架结构;而设防烈度8度和8.5度时，采用常规减震设计方法设计的减震结构由于梁、柱构件配筋的优化减少可能出现抗倒塌能力与抗震设计结构相比偏弱的现象。
　　(5)通过对比减震设计结构与抗震设计结构的倒塌模式和塑性耗能需求发现，阻尼器对减震设计结构的塑性耗能分布有两方面的影响:一是大量减少梁、柱构件总的塑性耗能需求;二是影响结构塑性耗能沿楼层的分布，使结构塑性耗能更集中于底层部位，设防烈度越高，这种现象越明显。因此，建议高烈度区的减震设计结构通过加强底层柱的配筋来提高其抗倒塌能力，通过验证发现，加强减震设计结构底层柱配筋能够有效提升其抗倒塌能力。

目录

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摘要

第 一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 黏滞流体阻尼器的发展与工程应用

1．2．1 黏滞流体阻尼器的构造与耗能原理

1．2．2 黏滞流体阻尼器的工程应用

1．3 结构抗地震倒塌易损性研究现状

1．3．1 地震易损性的分析方法

1．3．2 抗震设计结构抗地震倒塌易损性研究现状

1．3．3 减震设计结构抗地震倒塌易损性研究现状

1．4 本文主要研究内容及技术路线

第二章 算例设计与数值模型

2．1 抗震设计结构算例设计

2．2 减震设计结构算例设计

2．2．1 设计概况

2．2．2 附加黏滞流体阻尼器减震设计

2．3 结构弹塑性分析数值模型

2．3．1 模拟钢筋混凝土梁、柱的纤维模型

2．3．2 箍筋约束混凝土模型

2．3．3 黏滞流体阻尼器计算模型

2．3．4 一榀框架结构有限元模型

2．4 小结

第三章 抗震设计结构与减震设计结构抗地震倒塌性能对比研究

3．1 基于IDA的结构易损性分析方法

3．1．1 抗地震倒塌易损性曲线

3．1．2 输入地震动与地震动指标

3．1．3 结构抗地震倒塌能力评价指标

3．1．4 结构倒塌判据

3．2 附设线性和非线性黏滞流体阻尼器减震结构抗倒塌能力对比分析

3．2．1 线性和非线性黏滞流体阻尼器的出力特点

3．2．2 附设线性和非线性黏滞流体阻尼器减震设计结构抗地震倒塌能力评价

3．2．3 附设线性黏滞流体阻尼器减震设计结构抗地震倒塌能力降低原因分析

3．3 减震设计结构和抗震设计结构抗倒塌能力对比分析

3．3．1 减震设计结构与抗震设计结构IDA分析结果

3．3．2 不同设防烈度抗震设计结构抗倒塌能力对比

3．3．3 不同设防烈度减震设计结构抗倒塌能力对比

3．3．4 减震设计结构与抗震设计结构抗倒塌能力对比

3．4 小结

第四章 抗震设计结构与减震设计结构耗能需求分析

4．1 抗震设计与减震设计结构的倒塌模式

4．2 抗震设计与减震设计结构抗倒塌耗能需求分析

4．2．1 结构能量平衡方程

4．2．2 抗震设计与减震设计结构梁柱总塑性耗能对比分析

4．2．3 抗震设计与减震设计结构各层柱塑性耗能对比分析

4．2．4 提高减震设计结构抗地震倒塌能力对策

4．3 底层柱配筋加强对减震设计结构抗倒塌能力提升研究

4．3．1 底层柱配筋加强减震设计结构IDA分析

4．3．2 底层柱配筋加强减震设计结构抗倒塌能力评价

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文