钢筋混凝土框架结构地震倒塌破坏研究

摘要

任何情况下人的生命安全都是第一位的。强震作用下建筑物的倒塌造成的人员伤亡将引发一系列较财产损失更严重、更复杂的社会问题和经济问题。近年来国内外的数次震害表明即使严格执行抗震设计的建筑物也可能发生不同程度的倒塌破坏,大震不倒抗震设防目标未充分实现的根本原因在于未对结构倒塌破坏机理进行深入研究,缺乏准确的倒塌破坏临界状态定义和合理的倒塌破坏准则。本文重点研究了钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏特点和破坏机理,建立了结构倒塌破坏分析模型、临界状态、破坏准则,主要涉及以下工作:
　　深入分析总结了结构倒塌破坏研究方法,已有倒塌破坏准则本质上是构件设计的延伸,融入结构思想的倒塌研究考虑了构件、子结构、结构破坏的不确定性。薄弱区域的塑性变形集中是倒塌发生的根本原因,框架结构塑性变形集中区域就是柱铰大量充分发育的区域,此时结构内力重分布能力逐步下降,形成柱铰破坏机制。创造性的提出了结构域倒塌破坏分析模型和塑性铰密度倒塌破坏准则,在构件、子结构、整体结构三个层面上对倒塌研究进行了思考和探索,建立了可行的倒塌研究分析思路和方法。
　　分析了结构倒塌破坏特性并提出了结构倒塌破坏分析模型,定义倒塌临界状态为地震作用下发生不同程度破坏后结构的极限性能,以倒塌区间代替单一倒塌临界值。根据同一层内受损构件的位置、破坏程度和数量等指标,将引起层倒塌的、破坏程度相近的同类型构件组合定义为倒塌关键区域,建立了域倒塌破坏分析模型。域失效是倒塌破坏发生的根本原因,真实反映了结构整体性能的退化规律和特点,适用于不同类型的倒塌研究。
　　对框架结构的倒塌破坏机制和内力重分布特性进行深入分析,建议了基于柱铰的倒塌破坏准则。选取柱端塑性铰发育为倒塌分析变量,根据塑性铰发育程度、出现位置和数量等参数定义了塑性铰密度倒塌破坏准则。塑性铰密度破坏准则考虑了塑性铰发育与结构整体性能退化之间的相互关系。从构件损伤、子结构破坏和结构倒塌破坏三个层面上对倒塌破坏机理进行了解释和说明。薄弱层内一定量的柱铰充分发育后,结构的内力重分布能力丧失,子结构转化为可变机构,标志着倒塌的开始。试验研究和有限元分析表明域模型和塑性铰密度破坏准则较准确的解释和定义了结构倒塌临界状态、揭示了倒塌破坏机理。
　　结构倒塌是由一定量的框架柱塑性变形集中引起的,柱端塑性变形是倒塌破坏研究的关键内容,对框架柱的损伤和塑性变形程度量化进行了研究:考虑滞回耗能与构件损伤的相互关系提出了有效耗能理论,建立了考虑延性和有效耗能比例的改进双参数破坏准则;研究了柱的截面破坏特性,在理论分析基础上通过数据回归得出了框架柱的极限曲率计算公式,建立了塑性铰发育量化方法。
　　根据三榀平面框架的拟静力试验,建立了 OpenSees的纤维单元模型,进行了框架结构的反复加载试验验证,完成了基于塑性铰密度破坏准则的平面框架结构倒塌计算分析,选取倒塌破坏区间(0.6,1.0)能够准确的定义倒塌破坏极限,倒塌破坏指数较好的反映了结构的整体性能退化规律。选取114条地震波进行了框架结构的时程分析,根据倒塌破坏指数大小从中选取了10条地震动作为后续参数分析的地震动数据库。完成了不同层数、层高、跨度、轴压比的倒塌破坏计算分析,计算表明随着层数、层高、跨度、轴压比的增加倒塌破坏总体呈现加剧的趋势,基于域模型的塑性铰密度准则能够较好的定义结构倒塌破坏,地震动随机性对结构倒塌破坏的影响不容忽视。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 地震倒塌破坏定义

1.3 结构地震倒塌破坏特性

1.4 结构抗地震倒塌破坏分析方法

1.5 结构地震倒塌破坏准则

1.6 倒塌破坏临界状态

1.7 塑性铰发育与结构倒塌破坏

1.8 本文主要研究内容与技术路线

参考文献

第二章 融入结构思想的倒塌性能研究

2.1 基于结构思想的倒塌破坏研究

2.2 结构倒塌破坏研究思考

2.3 拟采用的倒塌破坏研究方法

2.4 结构倒塌破坏与构件损伤的统一模型探索

2.5 小结

第三章 构件层次的结构倒塌研究

3.1 钢筋混凝土柱损伤的多尺度分析

3.2 钢筋混凝土框架柱破坏准则

3.3 改进双参数破坏准则

3.4 基于倒塌的构件破坏量化分析

3.5 混凝土柱塑性铰长度研究

3.6 矩形截面框架柱曲率计算研究

3.7 框架柱塑性铰量化分析

3.8 小结

参考文献

第四章 基于域失效的子结构抗倒塌性能研究

4.1 倒塌破坏模型

4.2 域失效倒塌破坏模型

4.3 域失效与构件损伤

4.4 域失效与层倒塌

4.5 域失效与结构倒塌

4.6 基于域模型的塑性铰密度倒塌破坏准则

4.7 小结

参考文献

第五章 钢筋混凝土框架结构的整体抗倒塌性能研究

5.1 结构整体性能研究

5.2 结构倒塌破坏区间

5.3 结构抗地震倒塌分析方法

5.4 混凝土框架结构倒塌试验

5.5 混凝土框架结构倒塌分析

5.6 小结

参考文献

第六章 整体结构倒塌破坏参数分析

6.1 钢筋混凝土框架结构设计

6.2 结构倒塌破坏性能参数

6.3 地震记录选取

6.4 框架结构倒塌性能变参数分析

6.5 倒塌分析思考

6.6 小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 思考

7.3 展望

附录 A

附录 B

附录 C

附录 D：作者攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢