单自由度体系非线性地震能量反应的计算

随着结构抗震理论的深入研究,目前对结构地震破坏比较一致的看法：基于最大位移反应首次超越和塑性累积损伤的双重破坏准则比较符合震害和试验实际.采用能量耗散来描述结构的塑性累积损伤,其形式简单、计算方便,又能够较好地反映地震动的强度、频谱特性,特别是强震持续时间对结构破坏的综合影响.建立了单自由度体系在地震作用下的能量反应公式,通过对结构地震反应能量的计算,综合考虑地震动三要素和结构自身动力特性,分析了地震总输入能受各种因素影响的变化规律及地震总输入能在滞回耗能和阻尼耗能之间分配受各因素影响的变化规律.     

基于能量原理的钢筋混凝土框架结构层间弹塑性位移求解

本文按照我国现行《建筑抗震设计规范》设计了三个层数分别为4、7和10层的钢筋混凝土框架结构。利用能量法对各框架结构按等效单自由度体系计算了其滞回输入能;利用pushover方法分析了钢筋混凝土框架结构的层间能量分布规律,通过与非线性动力时程分析结果进行比较,证明该法是可行的;利用文献[1]中楼层弹塑性变形耗能与弹塑性层间位移的关系求出各框架结构的层间弹塑性位移,并与现行《建筑抗震设计规范》中简化计算方法的计算结果进行了对比。     

梁式桥抗震设计的地震能量反应谱分析

合理选取4类场地320条强震记录,研究地震动特性和恢复力模型动力参数对弹塑性SDOF体系的地震能量响应及其分配规律的影响,得到如下结论:1对于弹塑性SDOF体系,只要给出某一标准设防烈度的地震能量反应谱,其他设防烈度的能量反应谱可以根据PGA设防烈度与PGA标准烈度比值的平方调整得到;2可忽略屈服后刚度比对结构地震能量响应及其分配规律的影响;3阻尼比对地震总输入能的影响不大,但却对阻尼和滞回耗能有较大影响;4弹性和弹塑性SDOF体系的地震总输入能存在一定差别的,不能忽略结构延性对地震总输入能的影响;5低延性结构的延性能力的增加将会大幅提高其滞回耗能能力。在此基础上,采用非线性能量反应时程分析方法,建立适用于我国梁式桥抗震设计的地震总输入能谱、能量折减系数谱、滞回耗能谱和滞回耗能比谱,并为梁式桥基于能量的抗震设计提供以下建议:在采用能量方法对梁式桥进行抗震设计,因尽量使结构周期超过临界周期,以避免结构弹塑性地震输入总能量被放大;同时,还应控制梁式桥的延性不宜过大或过小。     

基于能量抗震设计简介

基于能量抗震设计是以能量平衡为基础,通过结构的能量方程,分析地震能量输入、转化和耗散,从而控制能量转化途径。本文主要介绍了基于能量抗震设计中结构总输入能量、能量分配、阻尼耗能、滞回耗能的计算方法等。探讨了基于能量抗震设计方法存在的不足以及未来发展趋势。     

基于能量抗震设计方法研究及其在钢支撑框架结构中的应用

介绍了作者近年来关于基于能量抗震设计方法的研究工作。首先,说明了基于能量抗震设计与传统抗震设计方法的关系,指出合理的结构损伤耗能机制控制是实现基于能量抗震设计前提,并据此提出了基于能量抗震设计的框架。随后,介绍了基于能量抗震设计用能量谱,包括单自由度（SDOF）体系总输入能量E _I谱、SDOF体系累积滞回耗能比E_H/E_I谱以及多自由度（MDOF）体系E _I,_MDOF谱与SDOF体系E _I谱的关系,并基于这些谱关系给出了MDOF体系的总累积滞回耗能E_H的确定方法。在此基础上,基于静力弹塑性分析方法给出了结构预期损伤部位累积滞回耗能E_H需求的确定方法,据此结合构件的承载力和变形需求,进行构件层次的基于能量抗震设计。最后,针对某钢支撑框架结构,介绍了所建议的基于能量抗震设计方法的应用。     

地震总输入能量谱的拟速度谱估计

以阻尼比的变化对线性单自由度体系的总输入能不产生影响这一结论为基础,获得了线性单自由度体系地震动输入能拟速度谱估计的方法,研究表明,单自由度体系在某地震波作用下的总输入能等价速度谱可由阻尼比为0.5%的拟速度谱来近似获得。     

基于损伤的钢框架结构倒塌位移分析

单一的位移指标并不能反映地震持时对结构累积损伤的影响,基于位移和滞回耗能的双重破坏准则更符合震害和试验结果。比较现有适用于钢结构的3种不同损伤模型及其计算方法,提出合理的计算方法建议。以损伤指数的形式进行结构损伤评估,损伤指数超过临界值时认为结构完全倒塌,2条小脉冲波的倒塌位移分别为0.07m和0.08m,大脉冲波的为0.13m,其余波的为0.1~0.11m,与FEMA中得出的倒塌位移0.15m相比有所降低。     

地震动输入能量谱的研究

现有的抗震设计理论,大多是基于承载力或强度的设计方法,与其相应的反应谱理论最大的缺陷是无法反映地震动持时的影响,而以地震动能量作为设计参数时,就能弥补现有抗震理论的不足。本文按照反应谱理论的思路建立了线性单自由度体系的地震动输入能量谱。研究发现,输入能量谱对体系的阻尼比不敏感,地震波峰值速度与峰值加速度比值(V/A)和强震持时(Δt)对谱形的影响较大,体系的输入能量与地震波的峰值平方成正比,根据分析结果,本文提出了线性单自由度体系输入能量谱的简化计算方法,方法较为简便,计算结果偏安全。     

基于总输入能量谱与瞬时输入能量谱的设计谱修正

地震动中的长周期成分对长周期结构的影响不容忽视,现行的设计反应谱为了保证长周期结构抗震设计具备保守性,人为增大了特定频段和特定场地条件的谱值。针对目前设计谱的不足,依据线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱,对规范反应谱5Tg～6s直线下降段提出调整方法。从具有速度 脉冲特征的长周期地震记录中选出能量谱值最大的地震记录加以说明,得到修正后的加速度谱与相应的拟速度谱和位移谱。建议的反应谱修正方法综合体现了总输入能量与瞬时输入能量的特征,对于工程结构设计具有重要的理论意义和实用价值。     

弹性单自由度体系能量反应谱研究

根据反应谱计算理论得到了线性单自由度体系在地震作用下的输入能量谱、阻尼耗能谱、滞回耗能谱以及动能谱计算公式,通过数值计算得到了4种不同类别场地土条件下160条强震记录的输入能量谱,研究了输入能量谱的特点。研究结果表明,能量谱曲线可以分为3段,即短周期的上升段、中等周期的平台段和长周期的下降段。场地类别对能量谱平台段有一定的影响。最后,提出了描述输入能量谱的谱形状的3段式曲线方程,回归得到了输入能量谱的简化计算公式,验证了简化计算公式的合理性。     

基于滞回耗能谱的钢板剪力墙结构性态设计方法

结构在地震作用下的损伤往往与地面运动的加速度循环特征密切相关,为反映这种地面运动特征,引入了累积延性比,并结合标准化的滞回耗能谱,提出了钢板剪力墙（SPSW）结构基于能量的性态抗震设计方法。该方法给出了SPSW结构中钢梁、钢柱、剪力墙板累积滞回耗能的计算方法,引入捏缩系数来反映构件的滞回特性,采用能力设计方法确定剪力墙板周边的梁、柱截面,确保SPSW结构在罕遇地震作用下出现理想的塑性机构。通过对1榀10层3跨的SPSW结构算例分析,采用弹塑性时程分析对所设计结构进行了验证。计算结果表明：结构最大楼层侧移平均值满足我国现行抗震规范的要求,与设计假定的目标侧移基本一致,验证了建议方法的合理性。     

预应力组合梁框架抗震性能研究

本文对预应力组合梁框架的抗震性能进行试验研究与滞回分析。基于预应力组合梁框架的低周反复荷载试验,对其破坏形态、破坏机制、位移延性、耗能能力、刚度退化、变形恢复能力等抗震性能进行了较为系统的研究。研究表明预应力组合梁框架具有优良的抗震性能。编制了预应力组合梁框架滞回分析程序,探索了预应力组合梁框架理论分析的新途径。     

钢框架梁柱节点力学性能研究

在美国的Northridge地震和日本阪神地震中,钢框架梁柱刚性连接节点发生严重的脆性破坏现象,显示出节点构造还不尽合理,需对其进行构造改进.文中提出三种改进方式,通过对改进后节点的有限元计算分析,结果表明:在反复荷载作用下,改进节点强度和刚度较好,能够满足我国抗震规范的要求;塑性铰外移,改善节点区的力学性能;加载到极限状态时,节点域变形很小,满足强节点弱杆件的抗震设计原则;且节点构造简单,易于工地现场施工.     

半刚性连接钢框架-非加劲钢板剪力墙结构性能研究

半刚性连接钢框架-非加劲钢板剪力墙结构弥补了传统抗弯钢框架侧向刚度不足的缺点,为采用更加经济的半刚性节点提供了可能。为研究不同梁柱连接刚度对双体系结构抗震性能的影响,完成了3个单跨两层不同梁柱连接刚度试件的水平低周往复加载试验研究,系统分析了三者的整体性能和破坏模态,拟从承载力、刚度、延性、耗能、整体性能和节点性能六个方面对双体系的节点刚度与墙体的匹配效果进行评价。结果表明:在半刚性框架内设置钢板墙能较大程度提高结构的极限承载力与侧向刚度;结构具有理想的屈服顺序,内填板在加载初期非常有效。屈服区域延伸至整个墙体时,附加荷载将基本上由边缘构件承担,试件破坏主要由内填板的屈服和框架柱的弯扭失稳控制;节点刚度退化小,且内填板的设置缓解了节点区自身的延性要求,梁柱连接形式对试件的抗侧刚度和整体强度的影响不大,降低连接刚度有利于提高试件延性和耗能能力。     

附加减震钢框架的加固混凝土框架结构抗震性能试验研究

为提高既有混凝土框架抗震性能,在不显著增加既有结构构件受力的同时,在混凝土框架外部增设钢框架并设置屈曲约束支撑。设计并制作1榀纯混凝土框架和2榀设置附加减震钢框架的混凝土框架,通过低周往复加载试验,研究其开裂和破坏状态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、等效阻尼比以及钢筋混凝土梁、附加钢框架的应变发展等。试验结果表明：增设附加减震框架后,结构破坏机制更加合理,屈曲约束支撑耗能性能稳定,加固后结构的滞回曲线饱满;采用外部附加钢框架加固钢筋混凝土框架,可提高既有混凝土框架结构的受剪承载能力至3倍以上,既有结构、外部附加钢框架和屈曲约束支撑可协同工作,在设防目标下可避免混凝土柱发生压剪脆性破坏;最后对附加减震框架改进连接构造设计提出了建议。     

焊接及螺栓连接钢框架的循环加载试验研究

为了探讨、比较焊接和螺栓连接钢框架的极限承载能力、滞回性能及动力特性,本文进行了6榀1∶2比例的单跨双层钢框架循环加载试验和动力特性测试,其中焊接、端板螺栓连接、角钢螺栓连接钢框架各两榀。试验过程中每层框架都铺设了混凝土楼板和配重,水平循环荷载按三角形分布施加。循环加载试验表明:当焊接连接框架的焊缝质量较高时,钢框架具有良好的承载能力和滞回性能,其最终破坏模式是构件形成塑性铰而发生强度破坏,属于典型的延性破坏,框架侧向层间塑性变形可以达到层高的1/25,塑性变形主要来自梁柱连接节点域的剪切变形和柱、梁的弯曲变形;端板螺栓连接框架的承载能力和滞回性能也较好,耗能能力略低于焊接框架,框架侧向层间塑性变形可以达到层高的1/30,但端板焊缝容易发生断裂;角钢螺栓连接框架的承载能力和耗能能力相对较低,塑性变形主要发生在连接角钢和柱脚部位,且翼缘连接角钢容易发生低周疲劳破坏。动力特性测试结果表明:随着节点转动刚度的减小,框架自振     

弹塑性SDOF系统累积滞回耗能谱

本文对弹塑性SDOF系统累积滞回耗能谱进行了分析研究.以4种场地土条件下40条强震记录为输入,分析了结构和地面运动参数对弹塑性SDOF系统累积滞回耗能谱与输入能量谱比值的影响.结果表明:阻尼比、延性系数、初始周期有很大的影响,而地面运动参数影响不大.结合现有的10种累积滞回耗能谱的计算模型和影响参数分析,建议了一个新的累积滞回耗能谱的计算方法.计算结果表明,本文建议的方法较好地反映了累积滞回耗能谱的影响参数和变化趋势,与现有计算模型有较好的一致性,且满足边界条件、便于计算.     

方钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗震性能试验研究

进行了3榀方钢管混凝土柱-钢梁平面框架的低周反复加载试验,分析了轴压比和梁柱线刚度比对框架抗震性能的影响。得到了框架的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线及各阶段的荷载和位移值,分析了框架的破坏特征、延性、耗能能力、承载能力及刚度退化。试验结果表明：框架滞回曲线饱满,具有良好的变形性能和耗能能力;增大轴压比将降低框架的延性和水平极限承载力,提高框架的耗能能力;增大梁柱线刚度比将降低框架的延性和耗能能力,提高框架的水平极限承载力。试验结果可为方钢管混凝土柱-钢梁框架的工程应用提供参考。     

腋板加强型节点钢框架抗震性能试验研究

为研究腋板加强型节点空间钢框架抗震性能,对1∶3缩尺腋板加强型节点空间钢框架子结构进行拟静力试验,研究荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧刚度、层间位移角、承载力退化、塑性耗能等抗震性能。试验结果表明：南、北两榀钢框架滞回曲线饱满对称,骨架曲线呈S型,层间位移角在4.29%~5.99%之间;试验过程中8个腋板加强型梁柱节点连接焊缝均未出现开裂,梁端翼缘及腹板塑性变形显著;腋板加强型节点钢框架在循环往复荷载作用下表现出良好的耗能能力,整体结构耗能较为充分;在等幅荷载作用下,南、北两榀钢框架承载力退化系数呈缓慢增长趋势,结构空间协同工作效应在一定程度上提高了钢框架承载能力。