巨型框架结构的地震反应及其于小波分析的损伤研究

摘要

巨型框架结构体系是一种具有发展前景的结构体系，但是目前针对巨型框架结构的相关理论和试验研究较少，不少问题有待深入研究。本文依托国家自然科学基金委重大研究计划项目“超高层巨型框架结构弹塑性地震反应与能量分析的研究”，以小波分析为研究手段，以钢筋混凝土结构为研究对象，从构件层次到巨型框架结构体系，分析了其损伤及抗震性能；从数值模拟到试验研究对理论公式进行了验证。主要研究成果如下：
　　 (1)针对采用我国现行规范和主流PKPM-SATWE软件设计的高度为201m的超高层钢筋混凝土巨型框架结构，在合理简化的基础上建立了有限元弹塑性分析模型，对该结构的三维弹塑性动力反应及损伤进行了分析研究，同时验证了PKPM-SATWE软件设计结果的合理性。
　　 (2)为了探索进一步改进巨型框架抗震性能的途径，在巨型框架的顶部设置了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)装置，建立有限元数值模拟模型，分析研究了采用减震技术后巨型框架的弹塑性地震反应、损伤及其减震效果。
　　 (3)为了验证有限元数值模拟的合理性及研究巨型框架结构的地震损伤机理，按结构相似性理论设计制作了一个几何缩尺比为1:25的振动台缩尺模型，并设计加工了一套TMD装置安装在其顶部，在土木工程防灾国家重点实验室(同济大学)进行了振动台试验，得到了较为丰富的巨型框架及其减震结构的对比试验结果，并将试验结果与数值模拟结果进行对比分析。
　　 (4)由巨型框架结构数值模型的弹塑性动力时程分析和振动台试验结果可知，该巨型框架结构的抗震性能可以满足抗震设计的要求，TMD装置具有一定的减震效果，且TMD的减震效果不仅与TMD本身的参数有关，还与地震动特性有关。
　　 (5)基于离散小波变换在钢筋混凝土构件损伤中的应用，提出一个基于小波变换在构件层次上的损伤计算模型。结合课题组以往进行的一批剪力墙构件和梁柱构件的低周反复加载试验结果，利用此模型对这些构件的损伤进行了分析，计算结果与试验结果吻合良好。
　　 (6)基于连续小波变换在结构模态参数识别的应用，分别对单自由度体系、多自由度体系以及巨型框架结构及其振动台试验模型的模态参数进行了识别，并将该识别方法与一般的模态参数识别方法(导纳圆拟合法)进行对比分析，结果表明该方法可以较为准确的识别出结构的模态参数，且满足工程精度要求。
　　 (7)基于小波包变换在结构损伤识别中的应用，建立了基于小波包各组分能量变化率指标，并对一多自由度结构的损伤进行了识别，结果表明，该指标可以较好的识别出结构的损伤的位置和发生损伤的时刻。
　　 (8)建立了一个损伤识别指数λk，分别对八层钢筋混凝土框架结构、巨型框架结构及振动台试验模型的损伤进行了识别，结果表明，该损伤指数可以较好的识别出结构的损伤。