基于损伤理论的砌体结构房屋性能化抗震设计研究

摘要

砌体结构房屋作为一种整体性差、刚度大、抗震性能差且应用广泛的结构形式，抗震设计理论的更新与发展更显迫切。为顺应性能化抗震设计理论的发展，需要加强砌体结构性能化抗震设计方法的研究。
　　在此背景下，本文开展了砌体结构房屋性能化抗震设计研究。本文工作是以砌体结构房屋震害总结为出发点，以砌体结构损伤本构模型研究为主线，以砌体结构房屋性能化抗震设计和性态水准的定量划分为重点开展的。本文的主要工作如下:
　　1、砌体结构震害总结与抗震设计方法的发展
　　根据大量震害资料，总结了砌体结构房屋震害中的共性问题。对抗震设计理论的发展和性能化设计的应用现状进行了总结，将性能化抗震设计思想引入砌体结构房屋抗震设计之中。
　　2、基于损伤的砌体结构本构关系模型研究
　　基于细观损伤理论和数理统计方法，在应变空间中建立了砌体结构损伤本构模型。分析了损伤变量的演化规律，提出有效损伤发展阶段的概念。将损伤发展和本构研究结合起来，用细观损伤演化解释了砌体宏观力学行为的变化。该本构模型具有下降段和反弯点。通过试验数据验证，证明了模型的合理性。
　　3、砌体结构抗震性态水准的定量划分
　　根据大量的试验资料和研究成果，对砌体结构房屋在地震作用下的抗震性态水准进行了划分，包括充分运行、运行、基本运行和生命安全四个水准。
　　用反应结构在地震作用下刚度退化和损伤发展的结构整体损伤参数对性态水准进行了定量划分，为砌体结构性能化抗震设计的实际应用创造了条件。
　　4、反映结构刚度退化的损伤指标及损伤谱的建立
　　提出了反映结构刚度退化的损伤指标，该损伤指标通过结构在地震作用前后刚度比确定。提出了损伤谱的概念，即延性需求、能力曲线屈服后刚度比和损伤指标的函数关系。将损伤指标与非线性弹塑性反应分析指标结合了起来，使单自由度体系基于损伤的等效线性化非线性分析得以实现。损伤谱的建立为性态谱建立提供了理论基础。
　　5、基于损伤的砌体结构性能化设计研究
　　基于损伤指标和损伤谱，建立了单自由度体系非线性反应的性态谱。性态谱由损伤指标、单自由度体系自振周期和弹塑性位移增大系数构成，能够综合反映单自由度体系在地震作用下的弹塑性位移增大程度和刚度退化程度，有效地将单自由度体系地震反应分析和结构位移、刚度变化结合起来。基于性态谱，提出了基于损伤的砌体结构性能化设计方法，该方法的基本体系是砌体结构层间剪切模型的等效单自由度体系，通过对该体系振动特性（周期和阻尼）的分析，得到位移反应和损伤指数，结合设定的性能目标，能够对结构进行抗震性能化设计。
　　提出了性态谱建立的流程框图和基于性态谱的性能化设计流程框图，并给出了砌体结构抗震性能化设计的工程实例。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 近期砌体结构震害总结

1．2．1 砌体结构房屋的震害总结

1．2．2 地震震害反映出砌体结构的问题

1．3 砌体结构性能化抗震设计的研究现状

1．3．1 既有抗震设计理论与方法的缺陷

1．3．2 性能化抗震设计的基本内容

1．3．3 性能化抗震设计方法的研究现状

1．4 本论文的主要工作

2 应变空间中砌体损伤本构关系模型建立与验证

2．1 引言

2．2 损伤的概念及目前的研究状况

2．3 应变空间中砌体静力损伤本构关系模型

2．3．1 砌体静力损伤本构关系模型的建立

2．3．2 静力损伤本构关系模型参数(a、m)的确定

2．4 本构模型的试验验证

2．4．1 本文模型与某新型多孔砖基本试件轴心受压试验的对比分析

2．4．2 模型分布参数的确定

2．4．3 本构模型与既有试验本构的对比验证

2．4．4 既有砌体本构模型的对比

2．5 砌体的细观损伤演化与宏观力学性能

2．5．1 损伤演化曲线和本构关系曲线

2．5．2 损伤演化曲线中参数分析

2．5．3 损伤门槛值和损伤临界值

2．6 本章小结

3 砌体结构性态水准划分及振动特性研究

3．1 前言

3．2 性态水准划分的研究

3．2．1 设防目标与性态水准的划分

3．2．2 性态水准的参数化研究

3．2．3 抗震性态分析方法

3．3 砌体结构性态水准的定性划分

3．3．1 砌体结构宏观破坏过程总结

3．3．2 砌体结构性态水准的划分

3．4 计算模型的有限元分析概述

3．4．1 ANSYS简介

3．4．2 单元选择与材料本构

3．4．3 模型建立与网格划分

3．4．4 荷载与边界条件

3．4．5 地震波的选取

3．5 模型的动力特性分析

3．5．1 结构模态分析的计算结果

3．5．2 影响结构模态计算结果的各因素分析

3．6 本章小结

4 砌体结构基于位移的抗震性能分析

4．1 前言

4．2 砌体结构模型动力时程分析

4．2．1 选用的地震波

4．2．2 结构在不同地震波作用下的地震响应汇总及分析

4．2．3 不同构造措施、不同窗洞口尺寸的结构模型在地震作用下的响应分析

4．3 砌体结构模型静力非线性(Pushover)分析

4．3．1 有效能力曲线的绘制

4．3．2 目标位移对比分析

4．3．3 最大底部剪力对比分析

4．3．4 最大层间侧移角对比分析

4．4 本章小结

5 基于损伤目标的性能化设计研究

5．1 前言

5．2 砌体结构模型损伤指标及性态水准划分

5．2．1 损伤指标

5．2．2 性态水准的损伤指标表达

5．3 非线性单自由度体系最大地震反应的估计方法

5．3．1 SDOF体系转换

5．3．2 等效线性化方法

5．4 基于损伤指标的性态谱建立

5．4．1 损伤谱的建立

5．4．2 性态谱设计原理

5．4．3 弹性反应谱的选取

5．4．4 性态谱的建立

5．4．5 基于损伤指标的性态谱特征

5．5 基于损伤性态谱的性能化设计方法

5．6 设计实例

5．6．1 设计资料

5．6．2 地震作用计算

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢