基于节点失效概率的钢框架结构易损性评估

摘要

结构在极端事件下发生与初始损失不成比例破坏的性质，称为易损性，其反意为鲁棒性;一个设计合理的结构体系，某个或某些构件发生损伤不应当引发整个结构的破坏、倒塌，结构体系应对局部失效不敏感。结构易损性分析是对现有结构设计方法的补充，在极端情况下，仅仅依靠增加结构的安全储备是不足以保证结构安全的，或者说这种处理方法是不经济的。本文针对钢桁架结构和钢框架结构分别进行了易损性评估方法的探讨。
　　针对钢桁架结构，采用基于能量和损伤程度的确定性评估方法。以结构在常规荷载下的应变能值作为结构性能参数，把结构临界状态下的应变能视为结构性能标准值;以单根构件破坏的外力做功值作为受损场景的破坏需求，在上述两参数的基础上提出了结构易损性指标。从损伤场景角度出发，考虑了极端事件中构件破坏的任意性，采用概念性移除的方法模拟构件失效。由单根构件受损对应的应变能系数，得到了构件重要性系数;由受损结构应变能值不寻常，判断桁架中局部失效的发生;以结构退化为机构作为结构破坏标准，通过逐步增加失效杆件总数，找到本桁架结构的最短失效路径;同时，通过两组工况作用的对比分析，讨论了荷载作用形式对结构易损性的影响。
　　针对钢框架结构，采用基于节点失效概率的不确定性评估方法。由北岭地震和阪神地震的震后研究报告可知，梁柱节点是框架结构发生连续倒塌时较易损的区域，大多数破坏发生在梁柱连接的梁下翼缘，裂纹始于焊接衬垫与柱子的交界处。
　　首先，从结构体系角度出发，采用备用荷载路径法，选取材料屈服强度、作用恒载、活载三个参数为随机变量，基于OpenSees平台，研究了框架结构在拆除柱构件后的动力响应。由于材料在承受动力荷载作用时，高应变率效应将影响钢材的力学性能，根据Cowper-Symonds模型进行钢材屈服强度的修正，并统计了动态屈服强度放大系数的信息。以7度抗震设防区的平面框架为例，比较了其在拆除底层中柱、边柱后结构内力重分布情况，重点对比了底层柱构件轴力、同一垂直面的柱构件轴力以及直接受影响区梁构件内力情况。针对按不同抗震设防烈度要求设计的三榀平面框架，比较了底层柱子受损后，直接受影响区内近受损侧、远离受损侧梁端弯矩的变化情况，统计出最大弯矩比的概率分布函数。
　　接着，选取梁柱栓焊连接节点，将梁端下翼缘处断裂韧度需求值超过焊缝材料的断裂韧度临界值视为节点失效，以J积分表示节点断裂韧性，讨论了节点有限元模型中，梁构件长度、荷载施加方式对梁下翼缘处J积分需求值的影响，确定了节点分析模型中的构件形式及作用荷载。选取梁端下翼缘处初始裂纹尺寸、梁柱材料屈服强度、焊接材料断裂韧度临界值三个参数为随机变量，由有限元分析结果提取出节点失效概率与梁端最大弯矩比的关系，建立节点失效的概率模型。
　　最后，指定框架结构易损性的评价指标为，柱移除后梁柱节点处脆性断裂的发生概率，对三榀按不同抗震设防烈度要求设计的平面钢框架结构进行了定量的性能评价。对照已经得到的节点失效概率模型、框架最大弯矩比概率分布情况，给出了近受损侧节点失效概率Pf与弯矩比nM关系曲线的拟合方法及拟合系数，通过积分求解出柱移除后节点的失效概率。节点失效概率越高，该节点越易损;对于本文研究的平面钢框架，较易损的节点依次为底层中跨梁柱节点、底层边跨梁柱节点、三层中跨梁柱节点、二层中跨梁柱节点;因此，在节点设计中，底层梁柱节点的冗余度可适当放宽。同时，由三组不同设计水平的框架对比分析可知，抗震设防烈度越高的框架结构，其抵抗偶然荷载激发的破坏能力也越强。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 结构易损性的定义

1．3 结构易损性国内外研究现状

1．3．1 结构易损性定性研究

1．3．2 确定性评估

1．3．3 不确定性分析

1．4 梁柱刚接节点断裂模式及原因分析

1．4．1 断裂模式

1．4．2 断裂原因

1．5 本文的主要工作和内容安排

第二章 钢桁架结构易损性评估方法研究

2．1 桁架结构易损性评价方法

2．1．1 分析采用的假设

2．1．2 基于应变能的桁架结构性能评价

2．1．3 破坏需求

2．1．4 易损性系数

2．2 损伤场景搜索

2．2．1 桁架结构失效判定方法

2．2．2 失效场景识别

2．3 算例分析

2．3．1 构件重要性指标

2．3．2 双杆失效的损伤场景分析

2．3．3 三杆失效的损伤场景分析

2．3．4 四杆失效的损伤场景分析

2．4 荷载形式的影响

2．4．1 构件重要性指标的对比

2．4．2 双杆失效的损伤场景对比

2．5 本章小结

第三章 钢框架结构拆除柱后动力分析

3．1 钢框架设计信息

3．1．1 框架模型

3．1．2 框架设计

3．1．3 随机参数选取及抽样

3．2 有限元模型

3．2．1 材料单元选取

3．2．2 阻尼

3．2．3 底层关键柱的拆除位置及荷载施加

3．2．4 动态屈服强度

3．3 框架结构移除底层柱后的动力响应分析

3．3．1 拆除中柱的分析结果

3．3．2 拆除边柱的分析结果

3．4 结果统计

3．4．1 动态屈服强度放大系数

3．4．2 最大弯矩比

3．5 本章小结

第四章 钢框架结构梁柱节点性能分析

4．1 框架中节点选取

4．1．1 栓焊节点的破坏形式

4．1．2 节点选取

4．2 有限元模型

4．2．1 弹塑性断裂力学有限元分析基本原理

4．2．2 材料模型

4．2．3 节点失效及性能的判别指标

4．2．4 节点域腹板贴板

4．2．5 裂纹尖端的积分路径

4．3 随机参数选取

4．3．1 初始裂纹尺寸

4．3．2 材料屈服强度

4．3．3 焊缝断裂韧性

4．3．4 抽样

4．4 节点试件设计

4．4．1 荷载作用方式与构件长度的影响

4．4．2 T型、十字型节点

4．4．3 梁端剪力对J积分的影响

4．4．4 梁端轴力对J积分的影响

4．5 节点失效的概率模型

4．5．1 节点失效概率计算方法

4．5．2 节点失效概率与弯矩比的关系

4．6 本章小结

第五章 钢框架易损性评估

5．1 易损性评估方法

5．2 钢框架中节点失效概率

5．2．1 指定梁端内力组合情况下梁柱节点失效概率模型

5．2．2 平面钢框架中梁柱节点失效概率

5．3 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录