地震激勵下在役RC框架結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究.pdf

1、作為建筑結(jié)構(gòu)中的一種基本結(jié)構(gòu)體系,RC框架結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)形式簡單、平面布置靈活、傳力路徑明確等優(yōu)點(diǎn)在我國乃至世界土木工程建設(shè)中扮演著重要角色。相對于其他新型結(jié)構(gòu)體系而言,大量的RC框架建筑已步入中、老齡甚至超齡階段,加之近年來我國及周邊鄰國的大區(qū)域地震活動預(yù)示中國大陸今后幾年發(fā)生7級左右地震的可能性較大,對地震激勵下在役RC框架結(jié)構(gòu)多尺度損傷行為進(jìn)行研究并給出最優(yōu)抗震設(shè)防建議迫在眉睫。
　　論文以多齡期RC框架結(jié)構(gòu)為研究對象,采用理

2、論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段,探究了一般大氣環(huán)境下主要建筑材料力學(xué)性能劣化機(jī)理與時變規(guī)律,揭示了多尺度地震損傷演化規(guī)律,定量評價了結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力,最終獲取了抗震投入和震害損失間的最佳平衡。主要研究工作和研究結(jié)論有:
　　(1)對RC結(jié)構(gòu)隨內(nèi)嵌鋼筋銹蝕而出現(xiàn)性能劣化的4個重要階段進(jìn)行了界定,基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到了保護(hù)層混凝土碳化殘量的建議計算模型,并運(yùn)用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)出保護(hù)層混凝土開裂時鋼筋銹蝕率計算公式,揭示了混凝土

3、抗拉強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、縱筋直徑、鐵銹泊松比及銹脹率等主要因素的銹蝕敏感度,提出了內(nèi)嵌鋼筋未銹階段服役時間和保護(hù)層混凝土銹脹開裂時結(jié)構(gòu)服役時間的建議計算公式,最終給出了適用于多齡期RC框架結(jié)構(gòu)的鋼筋、混凝土及鋼筋與混凝土間粘結(jié)滑移時變本構(gòu)模型,為后續(xù)數(shù)值分析研究提供了基礎(chǔ)理論支持。
　　(2)基于ABAQUS軟件平臺,從單元選取與組合、混凝土破壞準(zhǔn)則、材料時變本構(gòu)關(guān)系及模型可靠性驗(yàn)證等方面探討了適用于在役RC框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺度的數(shù)值建

4、模理論,并根據(jù)建議的RC框架結(jié)構(gòu)諸類構(gòu)件損傷表征量選取規(guī)則,給出了兩類構(gòu)件的損傷評價指標(biāo),通過在未銹RC梁構(gòu)件抗彎剛度計算公式里引入粘結(jié)力修正函數(shù)以完成對受拉鋼筋位置處混凝土平均拉應(yīng)變的調(diào)整,進(jìn)而提出了銹蝕RC梁抗彎剛度建議計算公式,計算分析了截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級、混凝土保護(hù)層厚度及配筋率等設(shè)計參數(shù)的損傷敏感度,揭示了主要設(shè)計參數(shù)對構(gòu)件損傷演化的影響規(guī)律,為建立地震激勵下在役RC框架結(jié)構(gòu)損傷模型提供理論支撐。
　　(3)基于O

5、penSees軟件平臺,重點(diǎn)探討了RC構(gòu)件力學(xué)性能在纖維層面上的描述方法,建立了適用于在役RC框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺度的非線性有限元數(shù)值建模理論,并給出了RC框架結(jié)構(gòu)宏觀尺度損傷評價指標(biāo),揭示了構(gòu)件類型和主要設(shè)計參數(shù)對樓層損傷的影響規(guī)律,提出了往復(fù)荷載作用下在役RC框架結(jié)構(gòu)樓層損傷模型,進(jìn)一步考察了損傷樓層位置、損傷樓層數(shù)量、樓層損傷程度及結(jié)構(gòu)服役齡期對整體結(jié)構(gòu)地震損傷的影響,最終建立了適用于在役RC框架結(jié)構(gòu)的地震損傷模型。
　　(4)通

6、過對地震動記錄和地震動強(qiáng)度指標(biāo)選取準(zhǔn)則的優(yōu)劣性進(jìn)行評價,給出了用于RC框架結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)數(shù)值分析的地震動記錄和地震動強(qiáng)度控制指標(biāo),并就借助IDA方法實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)抗地震倒塌易損性分析所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題提供了解決方案,揭示了樓層高度、結(jié)構(gòu)高寬比、框架柱軸壓比及樓板約束強(qiáng)度等主要因素對典型銹蝕率下RC框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的影響規(guī)律,最終完成了在役RC框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的定量化評價。
　　(5)采用分部優(yōu)化法并借助復(fù)形法優(yōu)化思想

7、獲取RC框架結(jié)構(gòu)在彈性階段的優(yōu)化方案,通過控制優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大層間位移角以實(shí)現(xiàn)彈塑性階段優(yōu)化設(shè)計,從而得到了指定設(shè)防烈度下RC框架結(jié)構(gòu)最小抗震投入的優(yōu)化設(shè)計,并基于簡化公式計算建筑結(jié)構(gòu)遭受諸級破壞的失效概率,與單體建筑震害損失量化結(jié)果形成了共力,最終獲得了指定設(shè)防烈度下框架結(jié)構(gòu)的損失期望,隨即將抗震投入最少和震害損失期望最小作為抗災(zāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的兩大優(yōu)化目標(biāo),取目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小時的設(shè)防烈度作為結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防烈度,進(jìn)而搜索得到最優(yōu)設(shè)防烈度下