【摘 要】
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混凝土建筑结构的地震安全性一直以来都是关乎人民生命和财产安全的重要课题。基于性能的抗震设计,为保证结构安全可靠、经济合理提供了新的设计思想。发展基于性能的抗震设计,需要解决的核心问题之一就是对结构在地震作用下的抗震性能和损伤程度进行合理地量化和有效地评估。而结构损伤模型为以上问题的解决提供了有效方法。建立合理的结构地震损伤模型,定量描述结构在地震作用下的损伤程度,是揭示结构地震损伤演化规律和探索结
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“质刚非均匀分布的框架—核心筒结构弹性地震位移需求估计及分体系调控”(项目编号:52078105); 国家自然科学基金面上项目“基于能量的混合型连接高层装配式混凝土框架结构地震损伤性能研究”(项目编号:51878123); 中央高校基本科研业务费(项目编号:DUT19GJ208);
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混凝土建筑结构的地震安全性一直以来都是关乎人民生命和财产安全的重要课题。基于性能的抗震设计,为保证结构安全可靠、经济合理提供了新的设计思想。发展基于性能的抗震设计,需要解决的核心问题之一就是对结构在地震作用下的抗震性能和损伤程度进行合理地量化和有效地评估。而结构损伤模型为以上问题的解决提供了有效方法。建立合理的结构地震损伤模型,定量描述结构在地震作用下的损伤程度,是揭示结构地震损伤演化规律和探索结构损伤控制方法的基础,对提升结构的抗震性能、保证结构安全具有十分重要的意义。本文以结构的整体损伤量化和分体系损伤量化两个关键问题为主线。针对一般的钢筋混凝土结构体系提出考虑多阶模态影响的结构整体地震损伤模型;在此基础上,针对不同的结构分体系划分,建立不同分体系的损伤量化方法,揭示分体系损伤与多模态整体损伤之间的关系;通过对整体损伤和分体系损伤演化规律的研究,并结合最新的“四水准”地震动划分,建立量化的损伤性能控制目标曲线。通过研究,本文取得的创新性研究成果如下:(1)考虑高阶模态的影响,提出了钢筋混凝土结构新的整体地震损伤模型。在Ghobarah损伤模型的基础上,基于模态分解的概念,采用模态刚度重新定义了结构的模态损伤模型。考虑损伤的物理含义和数学特征,在假设模态损伤相互独立且串联的前提下,提出了专用于模态损伤模型的组合规则,并在建立起该规则与SRSS组合规则的联系,给出了组合因子β的建议取值。分析了损伤模型中模态质量贡献因子λn的特性,可采用其解释结构振型变化对模态损伤波动的影响。结果表明,提出的损伤模型能够合理地描述结构的损伤特征。随着PGA水平和模态数目的增加,结构损伤曲线表现出明显的收敛性,其中倒塌点处的损伤指数值与IDA曲线有着很好的相关性,可作为结构的倒塌判据。(2)从几何层面考虑剪切型结构的分体系划分,建立了楼层分体系的损伤描述方法,揭示了楼层分体系损伤对结构整体损伤的影响。建立了楼层分体系的损伤描述方法及其与多模态整体损伤之间的关系。通过参数分析,研究了楼层的损伤位置、损伤程度及楼层损伤数量等对结构各阶模态损伤以及结构整体损伤的影响。进一步揭示了结构不同层次的损伤发展和损伤迁移演化的内在规律。研究表明,多模态整体损伤模型能够反映出底部楼层的重要性;随着损伤楼层在结构中所处位置的上升,基本模态损伤的敏感程度在降低;随着损伤楼层数量的增加,高阶模态损伤也在逐步增加,并且结构的整体损伤曲线逐渐由凹型向凸型转变;另外,所有楼层不可能100%发挥其抗损性能。(3)从物理层面对典型的双重体系框架—剪力墙结构进行划分,建立了框架分体系和剪力墙分体系的损伤量化方法,并阐明了其损伤演化和迁移规律。通过结合多模态整体损伤模型和广义弯剪耦合模型,推导出分体系的损伤表示方法以及结构整体损伤与框架分体系和剪力墙分体系损伤之间的关系。基于推导出的相关关系,研究了结构内部分体系的损伤演化和迁移。结果表明,框架—剪力墙结构的损伤发展很大程度上取决于框架部分和剪力墙部分的相对刚度,分体系损伤指标df和dw能够很好地表征结构动态内力重分布以及损伤在框架分体系和剪力墙分体系之间的迁移,可以将其作为宏观层面上控制双重体系损伤演化路径的有效工具,算例分析还表明,加强连梁可以有效地提高框架—剪力墙结构整体抗震性能。(4)从概念体系层面对三维偏心结构进行划分,提出了平动分体系和扭转分体系的损伤刻画方法。从结构刚度构成的角度,分析了平扭耦合损伤的机理。将多层结构等效为用模态杆模型构造的单层结构,在简化问题的同时保留了结构高阶模态特性。基于等效单层结构和多模态损伤模型推导出平动损伤和扭转损伤公式。研究表明,除了能够描述结构的扭转损伤外,所得损伤模型还能够描述结构未出现响应方向上的损伤;等效结构偏心距可以用来指示实际结构偏心的变化,并且平、扭损伤比例的变化与等效结构偏心距的变化之间存在较强的相关关系;随着结构非线性程度的增加,结构偏心在波动中呈先增大后减小的趋势;初始偏心距直接影响着结构各方向的损伤演化。(5)建立了结构统一的损伤演化方程,并结合“四水准”地震动划分确定出结构整体和分体系量化的损伤性能目标。从两种经典损伤模型,即Ghobarah损伤模型和修正的Park-Ang损伤模型的演化趋势着手,引入了用于描述多模态整体损伤和不同分体系损伤的Logistic曲线方程,建立了结构损伤演化方程的统一数学表达。结合结构的Logistic损伤演化方程、五阶段损伤特征点与最新规范的“四水准”地震动划分,推导出结构的整体损伤性能目标曲线,再根据整体损伤与分体系损伤的关系确定出分体系的损伤性能目标曲线。建立的量化的结构损伤性能目标曲线可用于对结构初步设计的刚度调控之中,为结构性能控制提供了参考。
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