强震下RC结构基于性能的刚塑性设计方法研究

摘要

地震是威胁人类安全的主要灾害之一，人们在抵御地震灾害的长期斗争中，逐步积累起许多减轻灾害的实践经验。随着科学技术的进步，对地震的成因及其破坏现象的认识不断深入，特别是上世纪不同时期产生过多种工程结构抗震设计理论和方法。在这些理论的指导下的结构设计，有效地避免了或减轻了地震造成的灾害。上世纪末，在广泛使用反应谱理论和弹塑性地震反应时程分析的基础上，国际抗震界出现了基于性能抗震设计(PBSD)和基于位移抗震设计(DBSD)理论，指出在强震作用下位移和塑性耗能是影响结构抗震性能的两个主要因素。我国现行抗震设计规范(GB50011-2001)采用三水准，两阶段设计，并将时程分析和静力弹塑性分析(Push-over)两个主要方法纳入规范，这在一定程度体现了基于性能设计的理念，但是还不能完全实现基于性能抗震设计所期望的控制结构在未来不同抗震设防等级下的破坏状态和抗震性能指标。目前我国抗震设计正顺应国际发展趋势，发展适合我国国情的基于性能抗震设计理论。
　　 本文阐述了基于性能抗震理论的研究现状，分析了该理论的特点及今后进一步的研究方向。在此基础上，基于延性钢筋混凝土结构在强震下的荷载-位移关系特点，采用动力刚塑性分析模型，建立了强震作用下钢筋混凝土结构基于性能刚塑性抗震设计理论的基本框架。主要研究内容和成果如下：
　　 ⑴根据强震作用下能量耗散机制和基于性能抗震设计的位移控制原则，发展了一种适合于钢筋混凝土框架结构的刚塑性抗震设计方法，为基于性能抗震设计提供了一种新途径。该方法包括两个主要步骤，一是控制结构模式形成合理的倒塌机构，通过虚功原理建立单自由度力学模型；二是利用刚塑性反应谱计算结构的动力需求。该方法概念清晰，计算简单，大量算例表明可提供满意的精度。
　　 ⑵以屈服加速度 为参数，选用了EL Centro波,Taft波和兰州波等多条典型地震加速度记录作为输入，利用Matalab编制计算程序完成时程分析，给出了刚塑性单自由度系统的位移反应谱曲线，由这些曲线的包络得到了刚塑性反应设计谱。根据地震设防水准调整地面加速度的峰值，便可将其用于抗震设计。
　　 ⑶根据剪力墙的变形和受力特点，通过虚功原理将其转化为相应的单自由度模型。在分析中考虑了墙肢弯矩-剪力相互作用，引入了适当参数对反应谱修正后按照与平面框架相同的步骤，完成剪力墙的刚塑性设计。算例表明，由此给出的结果与弹塑性时程分析结果相差在10[％]以内。
　　 ⑷基于强震下滑移隔震结构的反应特点与耗能机理，利用刚塑性力学模型描述滑移支座的力学行为，运用RPSD方法确定支座与上部结构的抗震需求后，对结构进行抗震设计。算例表明采用的模型合理，计算结果精确。
　　 ⑸考虑到在双向强震作用下，塑性变形阶段柱端塑性铰双向弯矩的非线性相互作用，采用了广义应力空间的屈服函数及其相关流动法则，推导出了理想刚塑性模型的本构关系，在此基础上，建议了一种双向地震作用下基于性能的刚塑计算模型。