基于性能的钢框架结构失效模式识别及优化

该文定义了损伤和滞回耗能两个性能指标,以增量动力分析(IDA)方法为基础,提出基于性能的钢框架结构失效模式识别方法,并以性能指标为目标函数,以构件截面尺寸作为变量,建立钢框架结构失效模式多目标优化方法。在多条地震波作用下,对一个20层benchmark钢框架结构进行了失效模式识别与优化分析,结果表明,以损伤和滞回耗能作为评价指标的基于性能的钢框架结构失效模式识别方法,能有效识别最不利地震作用下的结构失效模式,基于性能的失效模式多目标优化方法能够显著提高结构整体的抗震性能。     

基于改进Park-Ang双参数模型的RCS混合框架结构地震损伤评估

为了评估钢筋混凝土柱-钢梁混合框架结构在地震中的损伤程度,基于Park-Ang双参数地震损伤模型,通过修正相关参数,建立了适用于RCS混合框架结构的地震损伤模型。通过分析楼板对模型关键参数的影响,给出了考虑楼板影响的组合梁构件极限变形计算公式,并对其有效性进行了验证;基于试验结果,通过使构件破坏点损伤指数等于1的方法进行反演,得到组合梁构件循环荷载影响参数β。给出了结构不同破坏程度对应的损伤指数范围,并提出了该种结构的地震损伤评估方法。对一栋4层RCS混合框架结构在El-Centro波作用下的损伤程度进行评估,结果表明:该文提出的地震损伤模型能够比较好地反映RCS混合框架结构的损伤演化过程与程度,研究结果为RCS混合框架结构的地震损伤评估与基于性能的抗震设计方法提供了理论依据。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架弹塑性状态的层剪力分布研究

高强钢组合偏心支撑钢框架结构中耗能连梁作为屈服构件采用普通钢（如Q345）,而非耗能构件采用高强度钢材（如Q460）,高强钢构件不仅有效降低了构件截面、节约钢材、降低造价,而且减弱了偏心支撑结构的刚度,使得层剪力分布状态与传统偏心支撑结构不同。为了研究这种新型结构在罕遇地震作用下的弹塑性层剪力分布状态,依据偏心支撑钢框架结构基于性能的设计方法设计了具有理想失效模式的5层、10层、15层和20层算例,并考虑了近场地震速度脉冲效应和远场地震加速度循环累计效应对结构的影响,采用动力时程分析方法计算结构在罕遇地震水准下的响应,根据结构弹塑性层剪力的平均值,提出了与我国规范相一致的弹塑性层剪力分布模式,并对比了已有的层剪力分布模式,该文建议的层剪力分布模式具有更高的精度,可为高强钢组合K形偏心支撑能量设计方法和塑性抗震设计理论提供参考依据。     

考虑结构损伤的消能减震结构能量设计方法

RC框架结构在地震作用下多出现局部楼层损伤明显或抗力不足问题,通过对抗侧力构件性能的合理优化可实现各楼层损伤程度相近的设计效果,消除薄弱层,达到更为理想的均匀损伤分布模式。提出RC框架结构的均匀损伤设计方法,以各楼层损伤指数相等或相近为优化目标,各层框架柱配筋率为优化变量,通过智能算法与有限元平台协同计算技术,实现RC框架结构均匀损伤优化设计,并采用弹塑性时程分析和IDA方法对优化效果进行验证分析。结果表明,通过智能算法优化框架柱配筋方案可以有效调控结构各层损伤程度,不同地震波作用下结构最优配筋率分布是不完全相同的,并且框架柱的最优配筋率分布也未呈现明显的统计规律,但将不同地震波下优化结果的均值作为框架柱配筋方案可以提高结构抗震能力,该优化方法合理有效。

     

SRHSHPC框架结构地震损伤试验研究

基于一榀型钢高强高性能混凝土(SRHSHPC)框架结构试件拟静力试验,观测了SRHSHPC 框架结构在低周反复荷载作用下的裂缝开展和破坏模式,得到了框架结构的荷载位移曲线和骨架曲线,通过对试验现象的分析,揭示了SRHSHPC框架结构中梁、柱构件损伤与结构单层破坏之间的关系,引入节点位置权重系数,建立了结构单层地震损伤模型;通过对结构单层损伤与整体结构破坏之间的关系进行分析,建立了SRHSHPC框架结构地震损伤模型。计算结果与试验结果的对比表明:该文所建立的地震损伤模型能够较好地描述SRHSHPC框架结构的地震损伤演化过程与损伤程度,并反映构件损伤、局部结构损伤以及整体结构损伤三者之间迁移演化规律。     

摇摆桁架-BRB-钢框架体系地震失效模式与抗震性能分析

建筑结构抗震设计所希望的结构地震失效模式是完全梁铰式失效,由于各种不确定性的存在,在实际地震中,结构是否能发生完全梁铰式失效是无法预知的。而防屈曲支撑构件(BRB)延性较大,在地震作用下可稳定地耗散地震输入结构的能量。鉴于此该文提出了一种摇摆桁架-BRB-钢框架体系,采用静力推覆分析方法,识别出了结构的主要地震失效模式,对其失效路径以进行了分析;对传统钢框架结构、摇摆桁架-钢框架体系、摇摆桁架-BRB-钢框架体系在小震、中震、大震作用下进行时程分析,并基于峰值层间位移角评价了三种结构的抗震性能。结果表明摇摆桁架-BRB-钢框架体系,在结构耗能减震、失效模式的优化控制,降低结构的残余变形等方面均起到了重要作用,新结构的侧向变形较传统钢框架结构更加均匀,结构整体参与耗能的能力更强。     

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构基于性能的塑性设计方法研究

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构（YEBF）的耗能梁段采用屈服点较低的钢材,框架梁、柱采用高强度钢材,采用高强钢可有效减小构件截面,节约钢材,降低造价。现行设计规范中偏心支撑结构基于弹性理论进行设计,采用内力放大系数的方法保证结构在罕遇地震下耗能梁段进入塑性,其他构件保持弹性,结构的弹塑性变形可能过于集中而出现薄弱层。该文提出了采用基于性能设计方法（PBPD）设计剪切屈服型耗能梁段YEBF结构（S-YEBF）,以目标位移和理想的整体破坏模式为作为预测和控制结构弹塑性受力状态的性能目标,保证结构在罕遇地震作用下各层耗能梁段均能参与耗能,使结构层间侧移角分布趋于均匀,避免出现薄弱层。根据PBPD方法设计了多层S-YEBF结构,对其1/2缩尺模型进行了振动台试验以评估其抗震性能。通过非线性静力推覆分析和动力时程分析对比了分别采用PBPD方法和传统设计方法设计的10层S-YEBF结构算例的抗震性能。结果表明：采用PBPD方法设计的S-YEBF结构具有良好的抗震性能,结构呈较为理想的整体破坏模式,在罕遇地震作用下,各层耗能梁段均参与耗能,层间侧移角沿结构高度方向分布较均匀;与传统设计相比,PBPD方法设计的S-YEBF结构层间侧移角分布更均匀,并且可节省一定的钢材;PBPD设计方法可以为S-YEBF结构的工程设计提供参考。     

基于概率的钢框架结构地震失效模式识别方法

该文定义了构件的截面损伤指标,基于增量动力分析(IDA)方法,对地震输入下结构的失效模式进行分类,进一步统计得出各失效模式下构件端部截面损伤均值。提出基于概率的地震失效模式识别方法,建立各失效模式下结构失效概率关系表达式。基于OpenSees平台,对一个20层benchmark钢框架结构模型进行数值分析,结果表明,根据关键层的损伤状态可以合理地划分失效模式,引入构件重要性系数能较好地反映各构件截面损伤对结构失效模式的影响,基于概率的地震失效模式识别方法能有效的判别结构发生各失效模式的概率大小。     

锈蚀钢框架地震损伤模型研究

为了合理地描述锈蚀钢框架的地震破坏形式及不同程度的锈蚀对钢框架抗震性能的影响,在欧进萍等人提出的钢结构地震损伤模型的基础上建立锈蚀钢结构地震损伤模型。为确定锈蚀钢结构地震损伤模型参数,分别给出锈蚀梁、柱构件双线性恢复力模型特征点的计算方法,并通过弹塑性时程分析获得损伤模型中的其他参数数值。利用加权系数法合理地考虑锈蚀构件损伤向整体结构损伤迁移转化的多尺度效应,建立锈蚀钢框架整体地震损伤模型。结合该损伤模型的特点,定义了对应结构不同破坏等级的损伤指数范围。最后,对5榀具有不同锈蚀率的平面钢框架结构进行了弹塑性时程分析,结果表明:所建的损伤模型能在一定程度上反映钢框架结构随锈蚀程度的退化规律。     

基于损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化与评估

为避免高层建筑结构由于薄弱层破坏而引起整体倒塌,该文提出基于楼层组损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化方法。该方法通过增量动力分析选择结构失效概率达到50%的峰值加速度为目标地震动,定义楼层组损伤控制函数及失效概率两个性能指标,以构件截面尺寸为优化变量对结构进行优化分析。对一30层钢筋混凝土框筒结构进行优化,并基于PACT（Performance Assessment Calculation Tool）平台对优化前后结构的抗震性能进行评估。结果表明,优化后结构各层层间位移角分布趋于均匀且自上而下损伤逐渐减小,倒塌储备系数增加29.8%;外框架与核心筒修复费用均降低,墙与框架协同作用加强,优化后结构的抗震性能显著提高。     

RC框架结构地震均匀损伤优化设计

地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前、后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,该文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。     

磁流变阻尼器优化设计及结构地震损伤控制

该文通过LS-DYNA 程序二次开发了磁流变(MR)阻尼器的Bouc-Wen动力滞回模型、半主动控制律和钢材的弹塑性损伤本构模型,进而实现应用通用有限元程序精细化模拟受控结构损伤发展过程的目的.基于损伤本构模型,提出结构构件和结构层的抗震性能指标,并应用该指标对结构各层阻尼器的最大出力进行优化设计.对一9 层Benchmark 钢框架结构进行损伤控制研究,采用IDA 方法对控制前后结构的抗震性能进行分析,结果表明:MR 阻尼器优化设计后受控结构的损伤累积效应较无控结构明显减小,损伤分布范围更广,塑性耗能能力和抗震能力都得到显著提高.     

钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计

两边连接屈曲约束钢板剪力墙具有承载力高、耗能能力强、延性好等优点;而且在结构中布置灵活,能够减小对框架柱的作用力,避免框架柱过早发生破坏.为确定墙体在结构中的布置方式以使结构抗震性能充分发挥,提出了钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计方法.设定结构预期的整体破坏模式和目标位移,基于能量平衡原理计算结构的设...     

不同设防水平钢框架结构抗地震倒塌性能研究

钢框架结构虽具有抗震性能优异的显著优点,但在强震作用下仍会不可避免的发生倒塌破坏,带来巨大的经济损失和人员伤亡。为保证钢框架结构的地震安全性,该文介绍了基于集中塑性铰模型的钢框架结构数值建模方法,进而基于增量动力分析(IDA)方法,开展了5个不同设防水平五层三跨钢框架结构的抗倒塌性能分析。结果表明:集中塑性铰模型可准确模拟钢框架结构的地震灾变过程,并能显著提升计算效率;相同平立面布局下,随着抗震设防水平提高,钢框架结构的倒塌变形能力限值不断增大,以相同层间位移限值评估相同平立面布局不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力并不合理;按我国现行规范设计的不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力满足"大震不倒"的抗震设防要求,但其抗倒塌储备系数随设防水平提高不断降低。     

考虑损伤的结构抗震可恢复性

在定义结构剩余抗震能力比、结构整体抗震可恢复性指标以及对应于建议损伤区间的局部抗震可恢复性指标的基础上,考虑建筑物不同重要性和不同破坏影响,建议了不同的结构抗震可恢复性等级和相应的整体可恢复性指标变化范围,以及局部抗震可恢复性指标的下限值。结合易损性分析得到特定地震强度下得到其剩余抗震能力比的期望值。根据损伤区间规划、损伤性能目标以及各可恢复性等级结构剩余抗震能力比曲线下包络线,建议了结构抗震可恢复性概念设计框架。这种概念设计框架是在描述结构损伤程度的基础上,能够更加直接地评估结构面临受损或序列型强震时其剩余强度储备的情况。针对算例情况而言,按照现行规范设计的结构其抗震可恢复性和倒塌概率均满足要求,大震作用下结构剩余抗震能力比的期望值与最大结构层间位移有较好的对应关系,说明结构抗震可恢复性评估方法与常规设计方法之间的关联。     

强震下钢框架结构易损性分析及优化设计

该文建立了一种考虑结构地震反应滞回变形幅值对累积耗能损伤影响的双参数损伤模型,提出了一种基于易损性分析的评估钢结构在地震作用下损伤程度的方法,该方法以结构最大层间位移角作为评价结构整体能力的参数指标。以一个9层Benchmark钢结构为例,针对其在强震中的反应特征,对其薄弱层进行了优化设计,建立其优化前后的理论易损性曲线,对其在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估。基于倒塌储备系数对优化前后结构的抗倒塌性能进行分析,结果表明:所提出的损伤评估方法能较准确地评估钢结构在强震作用下的损伤程度,优化设计后结构的抗倒塌能力显著提高。     

基于混合屈服机制的钢管混凝土框架结构试验研究

通过试验探讨了基于混合屈服机制设计的钢管混凝土框架结构的抗震安全性,考察局部屈曲与焊接对结构性能的影响。以屈服柱的宽厚比及节点柱梁强度比为参数设计了两个混合屈服机制框架结构,并对其进行了一定轴力下的低周反复水平荷载试验,根据试验结果分析了框架结构的层剪力-层间位移角关系、屈服柱的变形及损伤等的响应,验证了基于混合屈服机制设计的钢管混凝土框架结构的可行性及抗震安全性。     

空腹式型钢混凝土异形柱中框架抗侧刚度试验研究

通过对1榀1/2。5比例两跨三层的空腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架在反复荷载作用下的试验研究,分析了结构的弹塑性特征以及整体和层间抗侧刚度的退化过程。通过分析可知：空腹式SRC异形柱框架沿竖向的刚度分布较均匀;层刚度与整体刚度的退化均表现出由快到慢的规律;获得了层间位移角的变化与层刚度退化之间的关系;结构正、负向弹塑性性能接近,极限层间位移角大于规范规定的限值,抗倒塌能力强;空腹式型钢混凝土异形柱中框架的延性优于钢筋混凝土异形柱框架;结构破坏时可以形成梁铰机制,符合“强柱弱梁”的要求。