预应力混凝土框架结构直接基于位移的抗震设计方法及其抗震能力研究

摘要

基于位移的抗震设计理论是20世纪90年代初美、日等国家的学者根据多年来的震害调查提出的抗震设计思想，现已逐渐成为21世纪各国抗震设计规范修订的主流方向[15]。基于位移的抗震设计的目的是将所设计的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续、维持。
　　 预应力混凝土框架结构具有大跨度、大空间、自重轻等优点，近年来，这种结构体系越来越受到工程界的欢迎。然而由于其自身特点，它在地震区的应用，迄今仍存在较大的争议。而针对后张有粘结预应力混凝土框架结构的基于位移的抗震设计方法研究在国内外仍很缺乏，因此，对预应力混凝土框架结构直接基于位移的抗震设计方法及其抗震能力进行研究具有重要意义。
　　 本文在总结国内外相关研究成果的基础上，阐述了基于位移的抗震设计理论及方法，着重探讨了直接基于位移的抗震设计中若干关键问题的影响因素和改进办法，建立了预应力混凝土框架直接基于位移的抗震设计方法，并通过算例的设计与pushover分析，对该方法的有效性及其抗震能力进行了综合评价。主要研究工作包括：
　　 ①研究了基于能量原理的双线性滞变模型下的等效阻尼比公式，发现采用该公式折减规范弹性反应谱所得的等效刚度与相同目标位移下模型计算的等效刚度难以实现相等，甚至存在较大的差异。因此，本文基于结构反应的双线性滞变模型、能量原理下的等效阻尼比公式、等效弹性位移反应谱等，利用迭代计算，找到了等效弹性位移反应谱计算确定的等效刚度与双线性滞变模型直接计算的等效刚度一致的等效单自由体系刚度强化系数，并由此反求等效刚度，从而给出了与规范反应谱相统一的等效阻尼比与等效刚度计算方法。
　　 ②采用本文提出的计算等效刚度的方法，针对“使用良好”和“防止倒塌”两个性态水准，进行了预应力混凝土框架直接基于位移的抗震设计，较全面地分析了预应力混凝土框架结构的配筋特点。
　　 ③建立了预应力混凝土框架基于两阶段设计理论和截面纤维模型的静力弹塑性分析方法。对比研究了抗裂因素、强柱系数对预应力混凝土框架的抗震能力的影响，从承载能力、出铰情况、破坏机制、变形耗能等方面对预应力混凝土框架结构的抗震能力进行了综合评价。并对预应力混凝土框架直接基于位移的抗震设计方法的有效性进行验证，论证了按本文的直接基于位移方法设计的预应力混凝土框架，能够较理想地实现结构预期的设计目标要求。
　　 ④阐述了影响框架梁柱变形能力的主要因素，探讨了框架侧移与构件变形的关系，建立了典型梁铰机制与柱铰机制框架的层间侧移与构件截面曲率延性之间的定量关系，并通过已有的约束混凝土模型，推导了曲率延性系数与箍筋用量的关系，分别建立了梁截面的λv-ξu-μbφ关系和柱截面的λv-n-μcφ关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2结构抗震设计理论的发展

1.2.1静力阶段

1.2.2反应谱阶段

1.2.3动力阶段

1.2.4基于性能的抗震设计阶段

1.3基于位移的抗震设计方法概述

1.3.1延性系数设计法

1.3.2能力谱法

1.3.3直接基于位移的设计方法

1.4直接基于位移的抗震设计的研究现状

1.4.1直接基于位移的抗震设计的提出

1.4.2直接基于位移的抗震设计中几个关键性问题的研究现状

1.5预应力混凝土框架结构的抗震研究现状

1.6本文的研究目的与研究内容

2直接基于位移的抗震设计理论

2.1引言

2.2性态目标的确定

2.3结构位移模式的确定

2.4等效单自由度体系的建立

2.4.1等效原则

2.4.2等效过程

2.5位移反应谱的建立

2.5.1弹性位移反应谱

2.5.2等效阻尼比

2.5.3弹塑性位移反应谱

2.6直接基于位移方法的设计流程

3预应力混凝土框架直接基于位移的抗震设计

3.1预应力混凝土框架结构算例设计

3.1.1基本概况

3.1.2结构侧向位移模式的确定

3.1.3按“使用良好”进行预应力框架基于位移的抗震设计

3.1.4按“防止倒塌”进行预应力框架基于位移的抗震设计

3.2预应力混凝土框架结构的配筋设计

3.2.1材料参数的确定

3.2.2按“使用良好”进行预应力混凝土框架的配筋设计

3.2.3按“防止倒塌”进行预应力混凝土框架的配筋设计

4预应力混凝土框架的推覆分析

4.1结构的抗震推覆分析(Pushover analysis)

4.2地震工程仿真开放系统OpenSees介绍

4.2.1模型的建立

4.2.2模型分析

4.2.3分析结果的输出

4.3算例Pushover分析

4.3.1程序的编制

4.3.2 Pushover分析结果

4.4关于算例结果的讨论

4.4.1基于位移的设计方法验证

4.4.2预应力混凝士框架结构的抗震能力分析

5构件的变形能力设计

5.1框架侧移与构件变形的关系

5.1.1与构件变形有关的参数

5.1.2框架侧移与构件变形的关系

5.2约束混凝土的极限压应变

5.2.1箍筋的约束作用

5.2.2约束混凝土的极限压应变

5.3构件的变形能力设计

5.3.1梁的变形能力设计

5.3.2柱的变形能力设计

6结语

6.1完成的主要工作

6.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录