近海大气环境下钢框架柱抗震性能及结构地震易损性研究

摘要

世界上实录震害调查表明，在钢框架结构中，钢框架柱的震害情况往往比其他构件严重，其安全状态影响到整个结构，因此，研究地震作用下钢框架柱的抗震性能具有重要意义。而钢材作为一种金属材料，其本身具有耐腐蚀性较差的特点，若结构受到腐蚀且处于高烈度地震区，不言而喻，其腐蚀后的抗震性能更是一个亟待解决的问题。本文系统地研究了近海大气环境下锈蚀钢框架柱和多龄期钢框架结构的抗震性能。本文的主要研究内容及结论如下： （1）利用室内加速锈蚀方法对6件钢框架柱和48件钢材标准试件进行了近海大气环境下的加速腐蚀。对不同锈蚀程度的钢材标准试件进行拉伸破坏试验，并利用最小二乘法对试验结果进行线性回归，得到近海大气环境下锈蚀Q235B钢材的力学性能指标（屈服强度、极限强度、伸长率及弹性模量）随其失重率增大的退化规律。 （2）对不同锈蚀程度的6件钢框架柱进行低周往复加载试验，研究了不同锈蚀程度及加载路径对钢框架柱的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化以及耗能能力等抗震性能的影响。结果表明：随着锈蚀程度的增大，钢框架柱极限承载力、耗能能力显著降低，强度和刚度退化明显；加载路径对钢框架柱塑性变形发展和滞回耗能有较大影响。研究成果可为进行基于构件的多龄期钢框架地震易损性研究提供试验支持。 （3）采用通用软件ABAQUS6.12对试验钢框架柱进行了非线性有限元分析，将有限元分析结果与试验结果的进行对比，发现两者的试件破坏形态相似，在荷载-位移滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等方面亦取得了较好的一致性，验证了该有限元分析的可靠性。并在此基础上对钢框架柱进行了参数分析，研究了轴压比对钢框架柱抗震性能的影响。分析结果表明，在一定范围内，随着轴压比的增大，钢框架柱的极限承载力和耗能能力显著降低，强度和刚度退化加快，延性变差。 （4）结合试验所得锈蚀Q235B钢材力学性能退化规律及典型近海大气环境下钢材的腐蚀速率，利用ABAQUS软件建立了4个不同龄期（20年、30年、40年、50年）的5层钢框架结构有限元模型。以PGA作为地震动强度指标，以结构最大层间位移角θmax为结构地震响应指标，对各模型进行了增量动力分析（IDA），并在IDA分析结果的基础上对各模型进行了地震易损性分析，获得了不同龄期钢框架结构的地震易损性曲线。分析结果表明，随着龄期的增加，结构在不同破坏状态下的失效概率均有所降低，且降低的幅度随着破坏程度的增大而增大。研究成果为灾后损失评估及震害预测提供了理论依据与技术支撑。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2腐蚀对钢结构耐久性影响的研究现状

1.3结构地震易损性研究现状

1.4本文主要研究内容

2 近海大气环境下锈蚀钢框架柱抗震性能试验研究

2.1引言

2.2试验概况

2.3钢材材性试验结果及分析

2.4钢框架柱试验结果及分析

2.5本章小结

3 近海大气环境下锈蚀钢框架柱抗震性能有限元分析

3.1引言

3.2 ABAQUS有限元分析方法概述

3.3 有限元模型的建立

3.4有限元计算结果及分析

3.5参数分析

3.6本章小结

4 近海大气环境下多龄期钢框架结构地震易损性分析

4.1引言

4.2结构设计

4.3钢框架结构增量动力分析（IDA）

4.4结构地震易损性分析

4.4本章小结

5 结论与展望

5.1本文主要成果及结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录

附录一： 硕士研究生期间发表的论文

附录二： 硕士研究生期间参与的主要科研项目