高层建筑结构基于损伤的抗震性能评估方法研究

摘要

基于性能的抗震设计要求在不同地震设防水准下，能有效地估计结构的破坏状态，并合理控制结构在地震作用下的损伤程度。实现性态化设计首先需要确定合理、有效的地震损伤模型，而 Park-Ang模型既考虑了地震作用下结构的最大变形，又考虑了低周疲劳累积滞回耗能的影响，是一种能较好反映结构损伤的模型。为此，本文首先提出了一种基于简化增量动力分析的能力曲线求解方法，接着以 Park-Ang损伤模型为基础，建立单自由度体系损伤谱，探讨多自由度与单自由度体系之间的损伤转换关系，继而开展高层建筑结构直接基于损伤的抗震性能评估方法的研究。
　　(1)研究了高层建筑结构基于简化增量动力分析的能力曲线求解方法。该方法遵循“动静结合”的原则，即由静力分析将原结构简化为等效层模型，而由增量动力分析求解结构能力曲线。结合规则框架结构算例对该方法进行了验证，接着对于平面不规则和竖向不规则结构，分别进行了方法的适用性分析。同时将本文所提方法与Pushover分析方法进行了比较。分析表明，本文方法在兼顾效率和精度的前提下，能够较好的捕捉规则结构和不规则结构的能力曲线，并且克服了Pushover分析结果受侧向力分布模式影响较大的缺点。
　　(2)开展了单自由度体系损伤谱的研究。以Park-Ang地震损伤模型为基础，对影响单自由度体系损伤谱的参数进行了敏感性分析，编制了四类场地的单自由度体系损伤谱，并进行了影响因素的分析。结果表明强度折减系数、初始自振周期和极限位移延性系数以及场地土类别对损伤谱影响显著。为了让损伤谱能够更方便的得到应用，本文还对统计得到的损伤谱进行了计算公式的拟合。
　　(3)研究了高层建筑结构多自由度与单自由度体系之间的损伤转换方法。在给定假设的前提下，理论推导了多自由度与单自由度体系间的参数转换关系。为了验证理论推导结果的正确性，本文随后进行了一系列的数值分析验证。对数值分析结果进行统计分析发现，无论强度折减系数和极限位移延性系数怎么变化，损伤指数的比值MDD始终表现在一定范围内波动。结合理论推导和数值分析结S果给出了框架结构多自由度与单自由度体系之间的损伤转换方法。最后对所提损伤转换方法在规则结构和竖向不规则结构中的适用性进行了分析。
　　(4)提出了高层建筑结构基于损伤的抗震性能评估方法。给出了损伤评估的具体方法和步骤，并以某实际工程作为算例进行了分析。将由损伤谱得到的结果与时程分析结果进行比较，结果表明本文方法能从统计意义上对结构的性能进行评价。结合同济大学提供的12层钢筋混凝土框架结构振动台试验资料，对本文所提方法进行了试验验证，分析表明由本文评估方法得到的结果与试验现象吻合较好。
　　(5)探讨了地震损伤评估方法在钢框架—混凝土核心筒结构中的应用。提出了弯剪型结构基于简化增量动力分析的能力曲线求解方法，研究了这类结构体系多自由度与单自由度体系间的损伤转换关系，并通过振动台试验对评估方法进行了验证。结果表明，利用本文方法对钢框架—混凝土核心筒结构进行损伤评估是合理可靠的。

目录

高层建筑结构基于损伤的抗震 性能评估方法研究

RESEARCH ON SEISMIC PERFORMANCE EVALUATION METHOD OF HIGH-RISE BUILDINGS BASED ON DAMAGE INDEX

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 基于性能抗震设计理论框架

1.2.1抗震设防水准的确定

1.2.2结构性能水平及其量化指标

1.2.3结构性能目标的选择

1.2.4基于性能的抗震设计方法

1.3 结构抗震性能评估方法研究现状

1.3.1基于位移的结构抗震性能评估方法

1.3.2基于能量的结构抗震性能评估方法

1.3.3基于损伤的结构抗震性能评估方法

1.4 钢框架—混凝土核心筒结构损伤评估研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 高层结构基于简化IDA的能力曲线求解方法

2.1 引言

2.2 基于简化IDA的结构能力曲线求解方法

2.3 数值验证

2.3.1 单条地震波作用下的结构能力曲线

2.3.2 多条地震波作用下的结构能力曲线

2.3.3简化方法与Pushover分析方法的比较

2.4简化方法对于不规则结构的适用性分析

2.4.1 竖向不规则结构的适用性分析

2.4.2 扭转不规则结构的适用性分析

2.5 本章小结

第3章 单自由度体系损伤谱的研究

3.1 引言

3.2 损伤指数的定义

3.3 单自由度体系时程分析程序编制及对比验证

3.4 单自由度体系损伤谱参数敏感性分析

3.4.1 地震波幅值对DS的影响

3.4.2 恢复力模型对DS的影响

3.4.3 强度折减系数对DS的影响

3.4.4 极限位移延性系数对DS的影响

3.4.5 初始自振周期对DS的影响

3.4.6 阻尼比对DS的影响

3.4.7 地震动持时对DS的影响

3.5 单自由度体系损伤谱的编制

3.5.1 损伤谱编制方法及计算流程

3.5.2 计算参数选择

3.5.3 损伤谱的生成

3.6 单自由度体系损伤谱变化规律分析

3.7 单自由度体系损伤谱公式拟合

3.8 本章小结

第4章 框架结构多自由度与单自由度体系损伤转换关系研究

4.1 引言

4.2 理论推导

4.2.1 MDOF与SDOF体系损伤转换推导过程

4.2.2 结构侧移形状函数的选取

4.3 数值分析验证

4.3.1多自由度与单自由度体系损伤转换关系数值求解方法

4.3.2模型设计及地震波的选取

4.3.3 MDOF与SDOF体系损伤转换关系影响因素分析

4.3.4 MDOF与SDOF体系损伤转换方法

4.4 损伤转换方法的适用性分析

4.4.1损伤转换方法在规则结构中的适用性分析

4.4.2损伤转换方法在带薄弱层结构中的适用性分析

4.5 本章小结

第5章 框架结构基于损伤的抗震性能评估方法研究

5.1 引言

5.2 地震损伤性能目标

5.3 基于损伤的抗震性能评估方法

5.4 算例分析

5.5 基于振动台试验结果的方法验证

5.5.1 12层钢筋混凝土框架结构振动台试验介绍

5.5.2 有限元模型验证

5.5.3 损伤评估结果与试验结果的比较

5.6 本章小结

第6章 损伤评估方法在钢框架—混凝土核心筒结构中的应用

6.1 引言

6.2 损伤指数与地震损伤性能目标

6.3 弯剪型结构基于简化IDA的能力曲线求解方法

6.3.1 等效弯剪型层模型的刚度求解

6.3.2 能力曲线求解及验证

6.3.3 简化方法与Pushover方法的比较

6.4 MDOF与SDOF体系损伤转换关系

6.4.1分析模型及计算参数

6.4.2 MDOF与SDOF体系损伤转换关系分析结果

6.5地震损伤评估方法及试验验证

6.5.1试验概况

6.5.2有限元模型验证

6.5.3损伤评估结果与试验结果的比较

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历