钢筋混凝土框架结构基于性能的地震损伤控制研究

摘要

基于性能的抗震设计是当今结构抗震研究的主流方向。它允许人们能动地选择结构在服役期内可能遭受的各水准地震作用下的抗震性能，有意识地控制结构构件和非结构构件可能产生的损伤。这就要求人们必须事先掌握结构地震损伤发生、发展的规律，以及如何合理地评价结构和非结构的损伤水平。本文选择工程结构中应用最广泛的结构形式之一--钢筋混凝土框架结构作为研究对象，通过理论分析和补充试验的方法研究了其地震损伤性能及控制方法。主要研究内容如下：
　　 1.根据我国早期非抗震设计和现行抗震设计规范，本文设计了13个典型的钢筋混凝土梁柱试件，在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了低周反复加载损伤机理试验。试验过程中详细记录各试件的损伤性能关键点的数据(包括残余位移、最大裂缝宽度、残余裂缝宽度等)，为确定钢筋混凝土结构抗震性能等级建立数据基础。通过对比损伤记录，研究了试件各设计参数对损伤性能的影响。
　　 2.针对研究界广泛应用的Park-Ang损伤模型在上、下界不收敛的问题，提出了修正的钢筋混凝土构件地震损伤模型。遴选了美国太平洋地震工程研究中心数据库中的试验数据，加上本文进行的钢筋混凝土梁柱损伤试验数据，对本文提出的修正的损伤模型组合系数的取值进行了标定。通过多元非线性回归分析得到了该组合系数与三个设计参数间的经验公式，对钢筋混凝土框架结构中常见的梁柱构件给出了组合系数的建议值。对比发现，本文的修正模型可以更准确地计算钢筋混凝土构件的损伤指标，离散度明显降低。
　　 3.应用本文提出的修正的钢筋混凝土构件地震损伤模型计算了数据库中各试件损伤特征点的损伤指标。在比较研究的基础上提出了以构件损伤指标占同层构件损伤指标总和之比为权数加权平均得到楼层结构损伤指标、以各楼层结构损伤指标的最大值作为结构总体损伤指标的损伤评价方法。本文采用总体结构损伤指标反映结构构件损伤水平，以最大层间位移角衡量非结构构件的地震损伤，将钢筋混凝土框架结构的抗震性能划分为四个等级，根据本文试验损伤观测记录和计算得到的损伤特征点的损伤指标分布，并参考了国内外相关研究成果，确定了各抗震性能等级与相应的结构和非结构损伤代表值之间的定量关系。
　　 4.结合我国抗震规范，分别对各场地类别和设计地震分组选择大量地震动加速度记录，以修正的Takeda模型作为钢筋混凝土结构滞回模型，利用本文修正的损伤模型，通过大量单自由度体系非线性时程分析，对给定延性能力的结构搜索满足损伤水平的屈服强度系数，在各场地类别与设计地震分组组合中对地震动记录的计算结果平均而得该组合的钢筋混凝土结构等地震损伤屈服强度谱，并按照不同场地类别和设计地震分组分别进行了多元非线性回归分析，得到相应的函数表达式。对比表明，回归表达式具有较高的精度，能够代表本文计算结果，可在地震损伤控制设计中直接应用。
　　 5.考虑结构性能和地震动的随机性，利用OpenSees基于柔度法的纤维模型有限元方法，分别计算了7度和8度设防的不同场地类别和设计分组的3层、6层和10层钢筋混凝土框架结构的地震易损性，共计59400次非线性地震反应分析。根据本文提出的构件损伤模型和结构总体损伤计算方法计算了各级地震作用下各性能等级的损伤超越概率，并用非线性最小二乘方法拟合得到各抗震性能等级的易损性曲线。根据地震动水准的超越概率分布，在我国现有的三水准地震动的基础上增设了重现期为975年的地震水准，结合易损性计算结果和建筑抗震设防类别，提出了钢筋混凝土框架结构多水准抗震性能目标。
　　 6.在前文研究工作的基础上，兼顾结构和非结构构件损伤水平，提出了钢筋混凝土框架结构地震损伤控制设计方法。该方法利用本文得到的等地震损伤屈服强度谱，通过调整结构承载力的方法控制结构和非结构构件的地震损伤水平，满足预定的抗震性能目标。通过典型算例分析验证了该损伤控制设计方法的有效性，可在实际设计工作中应用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 课题研究背景

1.2 基于性能的抗震设计方法

1.2.1 基于性能的抗震设计方法的基本理论

1.2.2 基于性能的设计方法发展

1.3 结构损伤控制设计研究

1.3.1 结构损伤模型

1.3.2 损伤控制设计

1.4 本文研究内容

第2章 钢筋混凝土梁柱地震损伤机理试验研究

2.1 试验目的

2.2 试验设计

2.2.1 试件设计

2.2.2 加载设计

2.2.3 量测设计

2.3 试验过程

2.3.1 试件制作与安装

2.3.2 试验过程及现象

2.4 试验结果分析

2.4.1 滞回特性

2.4.2 骨架曲线对比

2.4.3 延性评价

2.4.4 裂缝宽度变化

2.4.5 保护层剥落情况

2.4.6 钢筋应变

2.5 本章小结

第3章 钢筋混凝土结构地震损伤模型

3.1 引言

3.2 既有损伤模型的比较

3.2.1 非累积损伤模型

3.2.2 基于变形的累积损伤模型

3.2.3 基于能量的累积损伤模型

3.2.4 位移与能量混合的损伤模型

3.2.5 小结

3.3 本文提出的损伤模型

3.3.1 损伤模型构建

3.3.2 损伤模型的简化

3.3.3 组合系数的确定

3.3.4 组合系数评价

3.4 本章小结

第4章 钢筋混凝土框架结构抗震性能等级

4.1 引言

4.2 试验特征点分析

4.3 构件抗震性能点损伤指标值

4.4 钢筋混凝土框架结构总体损伤评价

4.4.1 总体损伤指标计算方法

4.4.2 本文计算方法

4.4.3 总体损伤计算方法比较

4.5 钢筋混凝土框架结构抗震性能等级

4.6 本章小结

第5章 钢筋混凝土结构等地震损伤屈服强度谱

5.1 引言

5.2 地震记录的处理

5.2.1 弹性反应谱计算

5.2.2 地震记录分组

5.2.3 强震持时计算

5.3 滞回模型

5.3.1 既有滞回模型

5.3.2 滞回模型选择

5.4 等地震损伤屈服强度谱

5.4.1 等地震损伤屈服强度谱的计算

5.4.2 平均屈服强度谱

5.4.3 延性能力的影响

5.4.4 场地类别的影响

5.4.5 设计地震分组的影响

5.5 回归分析

5.5.1 回归方法

5.5.2 回归结果

5.6 本章小结

第6章 钢筋混凝土框架结构抗震性能目标

6.1 引言

6.2 钢筋混凝土框架结构易损性分析

6.2.1 地震易损性的概念

6.2.2 地震随机性

6.2.3 结构自身的随机性

6.2.4 计算模型的建立

6.3 易损性分析结果讨论

6.4 钢筋混凝土框架结构抗震性能目标

6.4.1 设计地震动水准

6.4.2 性能目标的确定

6.5 本章小结

第7章 钢筋混凝土框架结构地震损伤控制设计方法

7.1 引言

7.2 钢筋混凝土框架结构地震损伤控制设计方法

7.3 地震损伤控制设计算例

7.4 小结

第8章 结论

8.1 本文研究内容及主要结论

8.1.1 钢筋混凝土梁柱地震损伤机理试验研究

8.1.2 钢筋混凝土框架结构构件损伤模型

8.1.3 钢筋混凝土框架结构抗震性能等级

8.1.4 钢筋混凝土结构等地震损伤屈服强度谱

8.1.5 钢筋混凝土框架结构多水准抗震性能目标

8.1.6 钢筋混凝土框架结构损伤控制设计方法

8.2 钢筋混凝土框架结构损伤控制研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果