損傷可控結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析及設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、地震作為突發(fā)性自然災(zāi)害，往往會(huì)造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)這些損失，地震學(xué)(Seismology)和地震工程學(xué)(Earthquake Engineering)從不同的方向發(fā)展新理論和新技術(shù)來減小地震帶來的災(zāi)難和破壞，由此推動(dòng)了抗震設(shè)計(jì)方法的不斷進(jìn)步。我國現(xiàn)行《抗震規(guī)范》(GB50011-2010)采用“三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)”方法，即通過小震彈性設(shè)計(jì)和大震位移驗(yàn)算來保證結(jié)構(gòu)“小震不壞”和“大震不倒”。但對(duì)于“中震可修”，規(guī)范沒有給

2、出相應(yīng)設(shè)計(jì)方法，無法定量保證結(jié)構(gòu)在地震作用后的可修復(fù)性。而對(duì)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(shí)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(fù)。大量的研究表明現(xiàn)有的鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)良好的震后可修復(fù)性有難度，要真正實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可修復(fù)性還需要從新型結(jié)構(gòu)開發(fā)進(jìn)行研究。在這種情況下提出損傷可控結(jié)構(gòu)，即在地震等災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)損傷不會(huì)過度發(fā)展，災(zāi)后能在合理的技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件下經(jīng)過

3、修復(fù)即可恢復(fù)其預(yù)期功能的結(jié)構(gòu)。
　　本文以結(jié)構(gòu)震后可修復(fù)性為出發(fā)點(diǎn)，以損傷可控結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其地震反應(yīng)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)研究。首先，提出能夠反映結(jié)構(gòu)可修復(fù)性及損傷可控性能的指標(biāo)，建立結(jié)構(gòu)可修復(fù)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)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(diǎn)研究屈服后剛度、延性、殘余變形等參數(shù)之間的關(guān)系，提出殘余位移計(jì)算方法;最后，圍繞損傷可控結(jié)構(gòu)，把現(xiàn)階段規(guī)范的“三水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)”發(fā)展成為更

4、合理的“三水準(zhǔn)設(shè)防，三階段設(shè)計(jì)”抗震方法，詳細(xì)內(nèi)容總結(jié)如下:
　　本文首先闡述了結(jié)構(gòu)可修復(fù)性與損傷可控結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，提出了結(jié)構(gòu)震后可修復(fù)性評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，形成了損傷可控結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系中的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定了損傷可控結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)采用傳統(tǒng)的損傷指標(biāo)（例如最大位移）無法滿足損傷可控結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)要求，還必須增加震后殘余位移指標(biāo)共同對(duì)損傷可控結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。指標(biāo)框架中的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)則規(guī)定了結(jié)構(gòu)初期投資-損失、修復(fù)-重建

5、的決策關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)、評(píng)價(jià)了現(xiàn)有的損傷可控結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法。
　　基于所提出的損傷可控指標(biāo)框架，本文對(duì)現(xiàn)有關(guān)于殘余位移的研究進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)了關(guān)于殘余位移的影響因素的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然由于研究方法、模型差異導(dǎo)致了各不相同的結(jié)論，但是在復(fù)雜結(jié)果中所有研究都一致認(rèn)為屈服后剛度是影響殘余位移的關(guān)鍵因素，提高屈服后剛度對(duì)減小結(jié)構(gòu)震后殘余位移效果明顯。因此本文對(duì)屈服后剛度影響殘余位移的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)提升

6、屈服后剛度之后，結(jié)構(gòu)在地震作用下正向和負(fù)向的屈服機(jī)制發(fā)生改變，屈服后剛度越高，結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向屈服持時(shí)越接近，因此使殘余位移越小。
　　在理解了屈服后剛度對(duì)殘余位移影響的內(nèi)在機(jī)理后，本文還對(duì)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(dòng)作用下的殘余位移響應(yīng)進(jìn)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(yīng)對(duì)殘余位移角的影響也不能忽視。通過對(duì)大量分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)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(duì)超高、大跨等長周期模型，通常都需要進(jìn)行時(shí)程分析，并且在對(duì)單/多自由度體系殘余位移的研究中發(fā)現(xiàn)地震動(dòng)輸入導(dǎo)致的最大彈塑性位移和殘余位移離散性較大，因此本文對(duì)考慮最大彈塑性位移和殘余位移響應(yīng)的時(shí)程分析地震動(dòng)輸入選擇進(jìn)行了研究。考察了多個(gè)地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)與位移指標(biāo)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)地震強(qiáng)度指標(biāo)總體可以分為加速度型強(qiáng)度指標(biāo)、速度型強(qiáng)度指標(biāo)和位移型強(qiáng)度指標(biāo)三大類。并且當(dāng)同時(shí)考慮殘余位移和最大位移時(shí)，對(duì)于中長周期結(jié)

8、構(gòu)采用峰值速度指標(biāo)明顯優(yōu)于規(guī)范規(guī)定的峰值加速度指標(biāo)。
　　在前述對(duì)損傷可控指標(biāo)框架中殘余位移指標(biāo)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，本文還提出了可以考慮設(shè)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(zhǔn)設(shè)防、三階段設(shè)計(jì)”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(jìn)行第二水準(zhǔn)設(shè)計(jì)。算例設(shè)計(jì)進(jìn)一步證明了對(duì)于普通RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行殘余位移驗(yàn)算的重要性，并且發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通混凝土結(jié)構(gòu)，簡單的增加其強(qiáng)度難以有效減小結(jié)構(gòu)的殘余位移。