工程结构非弹性地震动力反应分析的BWBN模型

建立一种能够有效考虑强度退化、刚度退化和捏拢效应等典型滞回特性的恢复力模型,是开展工程结构抗震设计和抗震性能评估的关键和基础。该文首先回顾了工程结构非弹性地震动力反应分析的单轴、双轴和平扭耦联Bouc-Wen-Baber-Noori(简称BWBN)模型的研究现状,然后介绍了BWBN模型在模型参数识别、概率地震需求分析以及非弹性地震反应谱等方面的最新研究进展,最后对BWBN模型的后续研究工作进行了展望。     

型钢混凝土剪力墙恢复力模型研究

通过8个型钢混凝土剪力墙的低周反复加载试验,重点研究轴压比、配钢率、配箍特征值对剪力墙滞回性能的影响。根据试验结果,通过理论分析,提出了以开裂点、屈服点、峰值点和极限点为特征点并考虑刚度退化的四线型荷载-位移恢复力模型,给出了各特征点参数以及各阶段刚度计算公式。分析结果表明,用该文恢复力模型所得计算滞回曲线与试验滞回曲线符合较好。该文的恢复力模型既反映了主要因素的影响,又便于进行结构非线性动力分析,可供型钢混凝土剪力墙非线性地震反应分析和工程设计应用。     

结构整体抗震性能评估新方法

目前基于性能的抗震评估主要考虑结构的最大位移反应,而忽略了滞回耗能对其造成的影响,不能全面反应地震损伤的根本机理。该文基于非线性振动理论,结合地震波的关键性特征参数,得到计算SDOFS滞回耗能的解析方法。在此基础上,根据MDOFS结构与等效SDOFS结构之间最大变形和滞回耗能的近似转换关系,采用Park-Ang模型对结构整体抗震性能作出合理评估。该方法能反应地震损伤的根本机理,且精度较高,具有广泛的工程应用前景。     

非线性结构利用摩擦阻尼器振动控制的优化设计

研究了强烈地震作用下非线性结构中摩擦阻尼器的参数优化问题。非线性结构的恢复力和摩擦阻尼器的滞回特性分别用连续的Bouc-Wen模型表示,利用遗传算法以相对性能指标为目标函数对阻尼器的参数进行优化,比较了不同地震波下摩擦阻尼器的减震效果。取一个八层结构为例进行计算,结果表明,摩擦阻尼器能有效地减小非线性建筑结构在强烈地震下的响应,Bouc-Wen模型能够较好地模拟摩擦阻尼器的滞回性能,使用遗传算法优化后摩擦阻尼器的参数,提高了结构的减震效果。     

高延性混凝土加固震损古旧砌体抗震性能试验及恢复力模型研究EI北大核心CSCD

为了研究高延性混凝土(high ductile concrete,HDC)加固震损古旧砌体的抗震性能,对6个HDC加固震损古旧砌体试件进行低周反复荷载试验,研究HDC加固面层总面积、砌筑砂浆强度、试件开洞口数量等因素对各试件的破坏特征、滞回曲线等抗震性能指标的影响程度。试验结果表明,用HDC加固后古旧砌体的峰值荷载较加固前最大提升可达313.4%,延性位移系数较加固前最大提升可达151.3%。在试验基础上,通过确定骨架曲线恢复力模型、卸载刚度退化规律并结合加卸载滞回规则,建立适合HDC加固震损古旧砌体结构的三折线恢复力模型。所得到的计算曲线与试验曲线吻合度较好,该三折线恢复力模型可用于地震作用下HDC加固震损古旧砌体的非线性动力反应分析。     

钢阻尼器考虑水平2方向变形的简化滞回模型研究

为了简单有效地模拟钢阻尼器在考虑水平2方向变形时的滞回性能,基于多重剪切弹簧力学模型和Menegotto-Pinto(MP)滞回模型提出一种改进的多重剪切弹簧(Modified Multi-Shear-Spring,MMSS)模型。将MP滞回模型作为MMSS模型中各弹簧的滞回曲线,其基本力学参数由钢阻尼器多方向的弹塑性变形性能确定,形状参数通过优化计算确定。以常用的U型钢阻尼元件为例,通过在单向循环位移、水平2方向规则循环位移以及随机位移下MMSS模型与阻尼器滞回曲线的比较,验证了提出的MMSS模型能较精确地模拟U型钢阻尼元件在考虑水平2方向变形时的滞回性能,为钢阻尼器的地震反应分析提供了一种简便的计算方法。     

锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型研究

为建立锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型,本文通过对6个锈蚀钢筋混凝土受弯构件低周反复荷载试验,得到不同锈蚀程度的各试件的滞回曲线及骨架曲线,分析了钢筋锈蚀对试件抗震性能的影响。根据试验成果,结合钢筋锈蚀引起结构破坏形态的改变,综合考虑钢筋锈蚀后引起结构截面几何损伤、钢筋和混凝土力学性能降低、粘结滑移性能劣化以及结构刚度退化等各种耐久性损伤因素,并考虑箍筋锈蚀引起结构延性的影响,提出了锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型的确定方法。通过与试验进行对比分析表明模型描绘的骨架曲线和滞回曲线与试验结果总体吻合较好,所描述的现象与试验一致,该恢复力模型可在损伤钢筋混凝土结构地震反应分析中采用。     

酸雨环境下锈蚀RC剪力墙恢复力模型研究

出于酸雨环境下锈蚀RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,该文提出了酸雨环境下RC剪力墙宏观恢复力模型,通过对6榀锈蚀RC剪力墙拟静力试验结果进行回归分析,得到了考虑轴压比与钢筋锈蚀率影响的锈蚀RC剪力墙骨架曲线特征点荷载与位移修正系数计算公式,以循环退化速率来表征构件强度和刚度的退化,确定了基于循环耗能的循环退化指数β_i,并进一步建立了可考虑捏缩效应、屈服强度退化、峰值强度退化、卸载刚度退化及再加载刚度退化的锈蚀RC剪力墙滞回模型。与试验结果对比发现:采用该模拟方法得到的各试件的骨架曲线、滞回曲线以及试件破坏时的累积耗能均与试验结果吻合较好,表明所建立的锈蚀RC剪力墙宏观恢复力模型能较为准确的反应酸雨环境下RC剪力墙结构的力学性能及抗震性能,可为该类结构的抗震性能评估提供理论参考。     

基于等效层模型的静动力抗震分析及其在剪力墙减震设计中的应用

以某高层剪力墙结构为工程背景,基于等效层模型,将静力弹塑性方法与非线性时程分析方法相结合,对结构进行了消能减震分析。首先对结构三维空间模型进行了静力弹塑性分析,得到了结构的层间恢复力曲线。在此基础上,根据能量相等原则确定了等效三线型恢复力模型,建立了结构等效弹塑性层模型,进行了弹塑性时程分析,并研究了非线性粘滞流体阻尼器对高层剪力墙结构在罕遇地震作用下反应的振动控制。分别对减震前后剪力墙结构在EL CENTRO波、唐山波和人工波作用下的整体反应进行了分析和评估。研究结果表明,采用静动力综合抗震分析方法对结构弹塑性等效层模型进行时程分析可以用于评估结构的弹塑性整体抗震性能,为工程设计提供参考;采用粘滞流体阻尼器可以明显减小高层剪力墙结构在罕遇地震作用下的反应,使得层间位移满足《建筑抗震设计规范》的要求,该方法可为类似结构的减震设计提供借鉴。     

三维钢筋砼框架结构非弹性动力分析

本文利用塑性理论建立了可用于结构非弹性动力分析的钢筋混凝土杆件多维恢复力模型,该模型考虑了钢筋混凝土的三折线型滞回规则和刚度退化性能。编制了相应的计算机分析程序,对空间框架结构进行了非弹性地震反应计算,用试验结果检验了模型的合理性。     

基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析

为更深入研究型钢混凝土剪力墙的抗震性能,在已有该类剪力墙滞回性能试验结果基础上,采用OpenSees软件中非线性纤维梁-柱单元进行低周往复加载的数值模拟,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力方法模拟纤维截面的抗剪。计算结果与试验结果总体吻合较好,表明该纤维模型法能较好模拟型钢混凝土剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应及刚度退化。该方法可为此类结构体系的弹塑性分析提供参考。     

考虑非线性剪切效应的RC桥墩抗震分析模型

剪跨比较小或配箍不足的钢筋混凝土桥墩易发生剪切破坏,而现有的纤维单元模型忽略了剪切变形,不能合理评估弯剪或剪切破坏桥墩的抗震能力。为有效模拟剪切作用影响下钢筋混凝土桥墩的抗震性能,以36个剪切及弯剪破坏圆形截面钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,建立了墩柱剪切破坏时墩底转角的计算公式。利用OpenSees分析平台,建立了基于非线性纤维梁柱单元和零长度剪切弹簧单元的数值分析模型,以此来考虑弯曲和剪切效应的耦合作用。以数值模型中墩底转角来监测试件剪切破坏的发生,剪切破坏发生前模型以纤维梁柱单元模拟的弯曲变形为主;此后,桥墩地震反应以剪切弹簧单元控制,以模拟试件由于剪切破坏导致的强度和刚度退化等行为。通过对12个剪切及弯剪破坏圆形截面桥墩抗震拟静力试验的模拟结果表明,模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好,并且能很好地模拟钢筋混凝土结构由于剪切作用引起的刚度与强度的退化现象,验证了模型的合理性。     

分级屈服型金属阻尼器抗震性能研究

提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的分级屈服型金属阻尼器。采用低周往复加载试验对其抗震性能进行了全面研究,揭示该阻尼器的分阶段屈服耗能机理与破坏机制,研究其滞回耗能性能、强度和刚度退化性能以及抗疲劳性能。试验结果表明,该阻尼器不仅有效实现分级屈服耗能,而且变形能力强、滞回环饱满稳定、抗疲劳性能优良。通过参数化有限元分析回归得到环形金属阻尼器的初始刚度修正系数,并提出计算分级屈服型阻尼器三折线骨架曲线性能点的计算公式,通过该计算公式获得的骨架曲线与试验结果吻合较好。同时,也可由阻尼器的性能需求确定其几何尺寸。该文的研究成果初步为该新型分级屈服型金属阻尼器在工程中的应用奠定了基础。     

型钢混凝土异形柱基于损伤的恢复力模型研究

根据16个实腹式配钢的型钢混凝土异形柱试件在低周反复荷载作用下的试验结果,进行了构件的滞回性能分析及基于损伤的恢复力模型研究。提出了一种弹性段-强化段为双折线、下降段为指数函数曲线的复合骨架曲线模型,采用理论推导与回归拟合相结合的方法给出了构件对应不同截面形式、轴压比及配钢率的骨架曲线特征值计算方法;考虑二阶矩效应、轴压附加抗侧刚度、强度衰减、包辛格效应及加载历程对构件性能退化的影响,并通过引入基于试验结果拟合的损伤模型,定量描述了构件滞回环卸载刚度退化规律,建立了恢复力模型。研究表明:试件的抗震性能良好,滞回曲线基本呈梭形,采用实腹式配钢的异形柱在各级荷载循环下的滞回环大致汇交于2点;所提出的基于损伤的恢复力模型是经过理论推导并考虑了多种因素的影响,计算结果与试验结果拟合度较好,可为该类型结构进行高效非线性地震反应分析提供依据。     

Bouc-Wen模型参数识别的非线性自适应遗传算法和试验验证

Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件在往复荷载作用下的刚度退化、强度退化等的一种多功能非线性光滑滞回模型,可广泛应用于各类结构滞回行为的描述。Bouc-Wen模型参数是决定结构构件滞回模型力学特征的关键,由于该模型参数众多且物理意义不明确,往往只能从滞回数据得到近似解。为适应该类模型参数高效识别的需求,该研究提出了一种非线性自适应遗传算法,并通过4片不同配筋和加载条件的RC剪力墙的低周反复加载试验对Bouc-Wen模型参数识别的效果进行了验证。模型参数识别得到的滞回曲线和算法效率与标准遗传算法识别的结果以及实验数据进行了对比,结果表明：所提出的方法显著提升了Bouc-Wen模型的识别精度与效率。该文所提出的方法可用来进行结构滞回模型的识别并用所识别的模型进行结构的非线性行为模拟。     

带环形阻尼器的装配式高强钢板剪力墙抗震性能研究

钢板剪力墙因具有良好的抗震性能被大量应用到高层建筑和高烈度区域。为解决装配式钢板剪力墙滞回曲线捏缩、平面外屈曲问题,该文提出一种带环形阻尼器的装配式高强钢板剪力墙。针对该装配式高强钢板剪力墙,变化高厚比和钢材牌号对其进行拟静力荷载作用下抗震性能有限元和试验研究,分析破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能性能和延性。研究结果表明：该装配式高强钢板剪力墙内嵌板环形阻尼器和边界连接板带屈服破坏,其他构件完好;滞回曲线饱满,位移延性系数在5.7～8.7,抗震性能良好;提出的抗剪承载力计算公式简单明了、概念明确,与有限元模拟和试验吻合良好。     

考虑局部构造形式影响的焊接节点抗震性能分析

钢结构梁柱节点的局部构造形式对结构抗震性能影响显著,该文研究已有焊接节点构造形式的优缺点,依据等强设计原则,提出新型的节点构造形式。采用有限元软件ANSYS建立非线性有限元模型,考虑构件局部屈曲,对节点施加初始缺陷,并依据已有的钢框架焊接节点试验验证所建立有限元模型的准确性和适用性。对新型节点与标准节点、加强型节点和削弱型节点在承载力、断裂性能、滞回性能、退化特性、破坏形态以及累积损伤等方面进行对比分析,深入探讨新型构造形式节点的抗震性能。分析结果表明:新型节点在不改变节点刚度的情况下,能够实现塑性铰外移,且节点破坏形态与断裂性能滞回性能稳定,在断裂性能与累积损伤方面表现良好。     

地震作用下冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性位移简化计算研究

针对地震作用下冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性位移的简化计算,基于层间剪切模型和冷弯薄壁型钢组合墙体的恢复力模型,对2层~7层冷弯薄壁型钢结构房屋进行弹塑性时程分析。通过对滞回耗能沿楼层高度分布规律的研究,确定了冷弯薄壁型钢结构房屋薄弱楼层的位置;研究了楼层屈服剪力系数、楼层数、结构自振周期和不同地震记录对弹塑性层间位移增大系数的影响;通过大量参数统计分析,提出了冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性层间位移增大系数与楼层屈服剪力系数和楼层数的定量关系,为罕遇地震作用下冷弯薄壁型钢结构房屋弹塑性位移验算提供依据。