損傷可控結構的地震反應分析及設計方法研究.pdf

1、地震作為突發(fā)性自然災害，往往會造成巨大的人員傷亡和經濟損失。面對這些損失，地震學(Seismology)和地震工程學(Earthquake Engineering)從不同的方向發(fā)展新理論和新技術來減小地震帶來的災難和破壞，由此推動了抗震設計方法的不斷進步。我國現(xiàn)行《抗震規(guī)范》(GB50011-2010)采用“三水準設防、兩階段設計”方法，即通過小震彈性設計和大震位移驗算來保證結構“小震不壞”和“大震不倒”。但對于“中震可修”，規(guī)范沒有給

2、出相應設計方法，無法定量保證結構在地震作用后的可修復性。而對于一些重大工程，如電力、通訊、供水、供氣等生命線工程，不僅要求地震發(fā)生時是安全的，更重要的是，要求震后有一定程度的繼續(xù)使用功能并且能夠快速修復。大量的研究表明現(xiàn)有的鋼筋混凝土(RC)結構要實現(xiàn)良好的震后可修復性有難度，要真正實現(xiàn)結構可修復性還需要從新型結構開發(fā)進行研究。在這種情況下提出損傷可控結構，即在地震等災害作用下結構損傷不會過度發(fā)展，災后能在合理的技術條件和經濟條件下經過

3、修復即可恢復其預期功能的結構。
　　本文以結構震后可修復性為出發(fā)點，以損傷可控結構為研究對象，對其地震反應和設計方法進行了相關研究。首先，提出能夠反映結構可修復性及損傷可控性能的指標，建立結構可修復性定量評價指標體系;然后，分別以單自由度體系和多自由度體系模型為例，通過大量的數(shù)值分析，重點研究屈服后剛度、延性、殘余變形等參數(shù)之間的關系，提出殘余位移計算方法;最后，圍繞損傷可控結構，把現(xiàn)階段規(guī)范的“三水準設防，兩階段設計”發(fā)展成為更

4、合理的“三水準設防，三階段設計”抗震方法，詳細內容總結如下:
　　本文首先闡述了結構可修復性與損傷可控結構之間的關系，提出了結構震后可修復性評價技術指標和經濟指標，形成了損傷可控結構評價指標體系。指標體系中的技術指標規(guī)定了損傷可控結構的性能評價，發(fā)現(xiàn)單獨采用傳統(tǒng)的損傷指標（例如最大位移）無法滿足損傷可控結構性能評價要求，還必須增加震后殘余位移指標共同對損傷可控結構進行評價。指標框架中的經濟指標則規(guī)定了結構初期投資-損失、修復-重建

5、的決策關系。在此基礎上，通過大量的文獻調研，總結、評價了現(xiàn)有的損傷可控結構實現(xiàn)方法。
　　基于所提出的損傷可控指標框架，本文對現(xiàn)有關于殘余位移的研究進行了文獻調研，總結了關于殘余位移的影響因素的分析結果，發(fā)現(xiàn)雖然由于研究方法、模型差異導致了各不相同的結論，但是在復雜結果中所有研究都一致認為屈服后剛度是影響殘余位移的關鍵因素，提高屈服后剛度對減小結構震后殘余位移效果明顯。因此本文對屈服后剛度影響殘余位移的內在機制進行了研究，發(fā)現(xiàn)提升

6、屈服后剛度之后，結構在地震作用下正向和負向的屈服機制發(fā)生改變，屈服后剛度越高，結構在兩個方向屈服持時越接近，因此使殘余位移越小。
　　在理解了屈服后剛度對殘余位移影響的內在機理后，本文還對不同參數(shù)的雙折線單自由度體系、多自由度體系在大量地震動作用下的殘余位移響應進行分析，發(fā)現(xiàn)屈服后剛度、周期和場地條件是影響殘余位移的最主要因素，而多自由度體系P-△效應對殘余位移角的影響也不能忽視。通過對大量分析結果的統(tǒng)計分析，得出了適合中國規(guī)范使

7、用的殘余位移譜。
　　考慮到對超高、大跨等長周期模型，通常都需要進行時程分析，并且在對單/多自由度體系殘余位移的研究中發(fā)現(xiàn)地震動輸入導致的最大彈塑性位移和殘余位移離散性較大，因此本文對考慮最大彈塑性位移和殘余位移響應的時程分析地震動輸入選擇進行了研究。考察了多個地震動強度指標與位移指標之間的相關性，發(fā)現(xiàn)地震強度指標總體可以分為加速度型強度指標、速度型強度指標和位移型強度指標三大類。并且當同時考慮殘余位移和最大位移時，對于中長周期結

8、構采用峰值速度指標明顯優(yōu)于規(guī)范規(guī)定的峰值加速度指標。
　　在前述對損傷可控指標框架中殘余位移指標系統(tǒng)研究的基礎上，本文還提出了可以考慮設防地震作用下最大彈塑性位移和殘余位移雙參數(shù)控制的“三水準設防、三階段設計”方法，通過算例表明可以利用現(xiàn)有的彈塑性位移譜和本文提出的殘余位移譜進行第二水準設計。算例設計進一步證明了對于普通RC結構進行殘余位移驗算的重要性，并且發(fā)現(xiàn)對于普通混凝土結構，簡單的增加其強度難以有效減小結構的殘余位移。