基于極限承載能力和地震延性需求的結構可靠度研究.pdf

1、結構的極限承載能力和地震延性需求是反映工程結構強度和延性的兩個重要指標,也是結構安全性和適用性評估以及結構抗震設計的重要參數(shù)。本論文基于極限分析理論和廣義屈服準則,研究建立了復雜結構極限承載能力分析的彈性模量縮減法;結合隨機有限元、極限分析和點可靠度理論,研究建立了復雜結構體系可靠度分析的影響系數(shù)法和隨機彈性模量縮減法;對經(jīng)典的單軸Bouc-Wen模型進行改進,分別建立了單、雙向地震激勵和平扭耦聯(lián)作用下非彈性體系非線性地震動力響應分析的

2、新型Bouc-Wen模型,結合69條強震記錄定量地分析了P-△效應、捏攏效應、強度退化、剛度退化等因素對非彈性體系的地震延性需求和Park-Ang地震損傷指標的概率統(tǒng)計特征的影響,并建立了地震延性需求的經(jīng)驗概率分布模型和預測方程。上述研究成果對于工程結構的安全性、適用性評估以及抗震可靠度分析具有重要的理論意義和工程應用價值。本論文的主要研究工作有:
　　 (1)基于極限分析理論和廣義屈服準則,定義了單元承載比、承載比均勻度、基準

3、承載比等參數(shù)的物理意義和計算表達式,并以單元承載比作為控制參數(shù),結合應變能平衡原理研究建立了復雜結構極限承載能力分析的彈性模量縮減法。算例分析表明,該方法的計算精度高、收斂速度快、且適用于由多種材料和多種單元類型構成的復雜結構的極限承載能力分析。
　　 (2)基于常應變法、圓弧法、應變能守恒和應變能平衡等不同原理研究建立了確定彈性模量縮減因子的四種策略,并結合空間桁架、剛架以及板殼結構對四種策略的計算精度和效率進行討論,發(fā)現(xiàn)基于

4、應變能平衡原理的彈性模量縮減法具有較高的計算效率和計算精度,為彈性模量縮減因子的確定提供了明確的物理意義和科學依據(jù)。
　　 (3)針對極限分析的解析法、數(shù)學規(guī)劃法以及傳統(tǒng)彈性模量調整法中“比例加載”這一限定,對所建立的彈性模量縮減法作進一步改進,研究提出了一種適用于非比例加載條件下結構極限承載能力分析的新方法。算例分析表明,該方法的計算精度高、收斂速度快、且適用于恒荷載和活荷載共同作用下的復雜工程結構的極限承載能力分析。

5、　　 (4)考慮P-△效應、捏攏效應、強度退化、剛度退化以及應變硬化等因素對非彈性體系地震動力響應的影響,研究建立了單向地震激勵作用下非彈性單自由度體系非線性地震動力響應分析的新型單軸Bouc-Wen模型,并結合69條強震記錄定量地分析了P-△效應和捏攏效應對非彈性單自由度體系的地震延性需求和Park-Ang地震損傷指標的概率統(tǒng)計特征的影響,進而建立了地震延性需求的經(jīng)驗概率分布模型和預測方程。
　　 (5)提出采用規(guī)一化位移作

6、為控制參數(shù),以圓形屈服面來描述雙向規(guī)一化恢復力之間的耦合效應,研究建立了雙向地震激勵下非彈性體系非線性地震動力響應分析的新型雙軸Bouc-Wen模型,結合69條強震記錄定量地分析了雙向地震激勵和P-△效應對地震延性需求和Park-Ang損傷指標的概率統(tǒng)計特征的影響,并建立了地震延性需求和累積滯回耗能的近似公式。
　　 (6)提出采用圓形屈服面來描述雙向規(guī)一化抗側恢復力之間的耦合效應,采用錐體或球體屈服面來描述雙向抗側恢復力和扭矩

7、之間的耦合效應,研究建立了平面不規(guī)則結構非彈性地震動力響應分析的平扭耦聯(lián)Bouc-Wen模型,結合69條強震記錄定量地分析了結構的規(guī)一化屈服強度、非耦聯(lián)平動自振周期、規(guī)一化剛度偏心距、非耦聯(lián)扭轉平動頻率比、屈服后剛度比等參數(shù)對平面不規(guī)則結構非彈性平扭耦聯(lián)效應的概率統(tǒng)計特征的影響。
　　 (7)結合極限分析的彈性模量調整策略和點可靠度理論,研究建立了結構體系可靠度分析的影響系數(shù)法。該方法利用確定性有限元分析建立外荷載和單元內力之間

8、的關系,以單元可靠指標作為控制參數(shù)定義結構的可靠指標均勻度和基準可靠指標,通過系統(tǒng)地調整各單元的彈性模量以模擬結構的可靠指標重分布和失效狀態(tài)轉移,通過一系列線彈性有限元迭代分析確定結構的最終失效模式和體系可靠度。計算結果顯示,該方法的計算精度高、收斂速度快,且有效克服了傳統(tǒng)體系可靠度分析中失效狀態(tài)演化過程模擬復雜、主要失效模式難以識別兩大難點。
　　 (8)結合隨機有限元、極限分析和點可靠度理論,研究建立了空間變異結構體系可靠度

9、分析的隨機彈性模量縮減法。該方法考慮結構參數(shù)和外荷載的空間變異性,利用數(shù)值積分法確定隨機場局部平均間的協(xié)方差矩陣,采用攝動隨機有限元法確定結構的隨機響應量和各控制單元的可靠指標,進而以單元可靠指標作為控制參數(shù),結合彈性模量調整策略和隨機有限元迭代分析模擬結構的可靠指標重分布和失效狀態(tài)轉移,最終確定結構的整體失效模式和體系可靠度。由于該方法避免通過虛擬塑性鉸、虛加外荷載來模擬結構的失效演化歷程和破壞模式,所以結構的單元剛度矩陣和荷載列陣計