高層建筑結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化及損傷控制研究.pdf

1、近二十年來，我國建筑業(yè)迅猛發(fā)展，建造了一大批高層和超高層建筑；另一方面，我國位于世界兩大地震帶的交界處，地殼運(yùn)動活躍，地震災(zāi)害非常嚴(yán)重。高層建筑結(jié)構(gòu)體型龐大、體系受力復(fù)雜、人員財(cái)產(chǎn)密集，其震害會比一般建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重得多。歷次震害分析表明，結(jié)構(gòu)倒塌是造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的根本原因，因此研究強(qiáng)震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律和破壞倒塌機(jī)制，控制結(jié)構(gòu)損傷過程和失效破壞模式，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌，對提高高層建筑的抗震安全性、減輕或避免高層建筑

2、的震害具有重要理論意義和工程價(jià)值。本文針對高層鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架—鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)以及鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，深入研究了基于結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化的災(zāi)變過程控制和基于MR阻尼器的結(jié)構(gòu)非線性損傷控制，建立了高層建筑結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化及損傷控制理論與方法。主要研究工作和創(chuàng)新成果如下：
　?。?）高層鋼結(jié)構(gòu)基于等抗震性能的失效模式優(yōu)化設(shè)計(jì)?；跇?gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件基于等抗震性能的失效模式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以結(jié)構(gòu)損傷

3、指數(shù)為約束方程，結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量的多次優(yōu)化迭代，使結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件抗震性能指標(biāo)收斂于預(yù)設(shè)值，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件等抗震性能的目的。分別以一9層鋼框架結(jié)構(gòu)的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和一15層鋼框架—鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，數(shù)值分析了優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和損傷發(fā)展過程。結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)各層的層間位移和損傷分布更均勻，結(jié)構(gòu)的薄弱部位不再出現(xiàn)，材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)用鋼量降低，結(jié)構(gòu)整體抗震性能得以提高。

4、
　?。?）高層建筑結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的非線性地震損傷控制理論。推導(dǎo)了基于中心差分法的控制方程，并基于LS-DYNA有限元程序二次開發(fā)了結(jié)構(gòu)的半主動控制平臺，實(shí)現(xiàn)了高層建筑結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的非線性地震損傷控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)一體化的建模、分析與設(shè)計(jì)。分別以一9層的鋼框架結(jié)構(gòu)和一15層的鋼框架—鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)為例，數(shù)值分析了控制前后結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和損傷發(fā)展過程。結(jié)果表明：所開發(fā)的半主動控制平臺計(jì)算穩(wěn)定、速度快、精度高；采用MR阻尼器控制

5、后的結(jié)構(gòu)層間位移、殘余變形和損傷指數(shù)等都明顯減小，結(jié)構(gòu)損傷分布范圍更廣，結(jié)構(gòu)整體抗震性能明顯提高，但當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣仍龃蟮揭欢ǔ潭群螅躆R阻尼器出力水平限制，結(jié)構(gòu)損傷控制效果降低。
　　（3）高層鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的非線性地震損傷控制。提出了鋼筋混凝土剪力墻的損傷準(zhǔn)則，以強(qiáng)震下一15層的鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)為例，數(shù)值分析了未安裝阻尼器、在核心筒與鋼框架之間安裝阻尼器以及在鋼框架柱之間安裝阻尼器三種情況下結(jié)構(gòu)的動力響

6、應(yīng)和損傷發(fā)展過程。結(jié)果表明：MR阻尼器可在一定程度上控制結(jié)構(gòu)層間位移、基底剪力和損傷發(fā)展；兩種阻尼器安裝方案具有相近的控制效果，但均不能抑制結(jié)構(gòu)薄弱部位的產(chǎn)生；所分析工況中，鋼框架均處于彈性受力階段，而混凝土核心筒均發(fā)生較嚴(yán)重的破壞，這與MR阻尼器需要結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的層間位移才能起到控制效果相矛盾，因此，鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的整體抗震性能由混凝土核心筒控制。
　?。?）鋼—混凝土結(jié)構(gòu)非線性地震損傷控制模型試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了不同強(qiáng)度地震作用下

7、，半主動控制、Passive on控制、Passive off控制對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的控制效果。結(jié)果表明：Passive on和半主動控制的結(jié)構(gòu)比Passive off和無控的結(jié)構(gòu)優(yōu)越；MR阻尼器具有很好的耗能能力，Passive on和半主動控制下MR阻尼器耗能能力約為Passive off的2~3倍；結(jié)構(gòu)頻率下降都發(fā)生在無控或者Passive off對應(yīng)的工況，表明MR阻尼器能較好地控制結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生和發(fā)展?；诙伍_發(fā)的鋼材和混凝土單