鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震主要失效模式分析與優(yōu)化.pdf

1、地震災(zāi)害是人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，具有極強(qiáng)的隨機(jī)性，不可預(yù)測(cè)性和大范圍的波及性，嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)的生存和社會(huì)的發(fā)展。近年來(lái)頻繁發(fā)生的地震使得建筑結(jié)構(gòu)大量破壞，導(dǎo)致大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。地震動(dòng)強(qiáng)度和特性的隨機(jī)性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要采用基于等效靜力的線彈性分析方法，不能很好的考慮結(jié)構(gòu)屈服后的受力狀態(tài)和整體破壞機(jī)制，結(jié)構(gòu)的材料性能未能得到充分發(fā)揮，進(jìn)而出現(xiàn)不可預(yù)期和不可控的局部失效模式或

2、薄弱層失效模式，最終使得結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的抗震性能未達(dá)到最優(yōu)，不能有效抵抗未來(lái)潛在地震災(zāi)害。因此，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震失效模式進(jìn)行分析和優(yōu)化來(lái)提升結(jié)構(gòu)的整體抗震性能具有重要的意義。本文以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為主要載體，重點(diǎn)聚焦地震主要失效模式分析、結(jié)構(gòu)等損傷優(yōu)化和最優(yōu)地震失效模式設(shè)計(jì)方法，主要研究了以下內(nèi)容：
　?。?）由于地震作用的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)的地震失效模式具有多樣性，采用多個(gè)側(cè)力模式的Pushover分析可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)的主要地震失效模

3、式和其對(duì)應(yīng)的失效路徑。失效路徑中不同位置的構(gòu)件損傷大小不同，且處于路徑最前面的構(gòu)件損傷最大。綜合考慮構(gòu)件在不同側(cè)力模式下的失效概率和失效路徑，提出了通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件來(lái)改善結(jié)構(gòu)地震失效模式的方法，并通過(guò)算例分析來(lái)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　（2）針對(duì)強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)的抗震響應(yīng)未能均勻分布、結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)集中、結(jié)構(gòu)材料性能未能得到充分發(fā)揮的現(xiàn)象，采用連續(xù)模態(tài)Pushover方法來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的抗震響應(yīng)，以結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移均勻化為目標(biāo)，以梁柱構(gòu)

4、件配筋為設(shè)計(jì)變量，以等材料造價(jià)和最大/小配筋率為約束條件，提出了基于非線性靜力分析的結(jié)構(gòu)等損傷優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)算例分析研究了本文方法在控制結(jié)構(gòu)層間側(cè)移、梁柱轉(zhuǎn)角及耗能機(jī)制方面的有效性。
　　（3）針對(duì)不同地震輸入引起結(jié)構(gòu)地震失效模式的差異，分別考慮單一地震輸入和多地震輸入，以結(jié)構(gòu)的層間位移角最小為目標(biāo)，以梁柱構(gòu)件截面尺寸和截面配筋為優(yōu)化變量，以最大/最小配筋率、梁柱相對(duì)剛度比和材料成本增加比為約束條件，提出了可直接考慮構(gòu)件損傷大

5、小的梁柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)算例分析研究了結(jié)構(gòu)在單一地震輸入和多地震輸入下的優(yōu)化效率、結(jié)構(gòu)層間側(cè)移的降低效果和不同強(qiáng)度地震下本文優(yōu)化方法的有效性。
　　（4）以我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，采用無(wú)約束的非線性最小二乘方法合成了耐震加速度時(shí)程曲線，并以此作為輸入研究了單自由度彈性體系和彈塑性體系的抗震響應(yīng)分析，包括阻尼比的依懶性、非線性位移響應(yīng)和滯回耗能分析；系統(tǒng)研究了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度下的頂點(diǎn)位移響應(yīng)、基底剪力響應(yīng)、

6、最大層間位移角響應(yīng)和滯回耗能分析，并與大量天然地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比；研究了結(jié)構(gòu)在大震下的層間位移角分布和樓層剪力分布。研究了在耐震加速度時(shí)程輸入下結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)概率和梁柱轉(zhuǎn)角分布及大小，探討了耐震時(shí)程法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的失效模式分析的可行性。
　?。?）采用“強(qiáng)柱弱梁”整體失效模式作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)模式，考慮結(jié)構(gòu)不同模態(tài)的地震輸入能量和結(jié)構(gòu)滯回特性差異對(duì)耗能能力的影響，提出了修正的能量平衡方程；由于不同結(jié)構(gòu)具有不同的滯回特性和能量耗散能

7、力，發(fā)展了滯回耗能修正系數(shù)來(lái)考慮非彈性應(yīng)變能的差異；評(píng)估了已有塑性設(shè)計(jì)方法的有效性，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于能量平衡的塑性設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體失效模式。采用基于能量平衡的塑性設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并與規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面對(duì)比分析。評(píng)估了具有不同幾何配置的結(jié)構(gòu)采用基于能量平衡的塑性設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體失效模式的有效性和可行性。
　　由于按照傳統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)的RC框架結(jié)構(gòu)不能確保其在強(qiáng)震下出現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”整體失效模式，在保持梁截面設(shè)計(jì)不

8、變以表征結(jié)構(gòu)的自重作用和設(shè)防地震作用的前提下，采用塑性內(nèi)力計(jì)算中的“柱樹”方法對(duì)結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)柱弱梁”整體失效模式。對(duì)兩個(gè)規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，分析表明本方法可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)柱弱梁”整體失效模式。
　?。?）為充分發(fā)揮防屈曲支撐穩(wěn)定的耗能能力，將防屈曲支撐添加進(jìn)RC框架中形成雙重抗側(cè)力體系。為實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)柱弱梁”整體失效模式，將上述（5）中發(fā)展的基于能量平衡的塑性設(shè)計(jì)方法拓展到此體系中。首先將結(jié)構(gòu)體系離