双向地震激励下基于二维屈服面模型的残余位移谱研究

为了研究地震动的多维性和结构响应的空间耦合性对结构残余位移需求的影响,建立了恢复力特性符合二维屈服面模型的单质点双自由度体系(SMDDOF),提出双向地震激励下的等强度残余位移谱模型,对比分析了单向和双向地震激励下单自由度(SDOF)体系的残余位移谱。以不同场地类别的140组地震动记录为双向激励,建立统计平均的等强度残余位移谱,分析场地条件和两主轴方向刚度比对双向地震激励下单自由度体系残余位移谱的影响。结果表明:通过单自由度体系单向地震动输入建立的残余位移谱可能会低估结构残余位移需求;中长周期范围内,双向地震激励下的残余位移比谱值随刚度比的增大而增大;恢复力耦合效应对结构残余位移响应的影响取决于两主轴方向损伤的相互制约,其中一个主轴方向刚度的削弱会增大该主轴方向的残余位移需求,而另一主轴方向的残余位移需求则会有所减小。     

非弹性体系地震动力响应分析的新型单轴Bouc-Wen模型

对经典的单轴Bouc-Wen模型进行改进,研究建立了可以综合考虑P-效应、捏拢效应、强度退化、刚度退化、应变硬化等典型滞回特性的新型单轴Bouc-Wen模型。根据非弹性单自由度体系在69条强震记录作用下的动力响应,定量地分析了P-效应对地震延性需求的均值和变异系数的影响,进而建立了地震延性需求的经验概率分布模型和预测方程。计算结果显示:由重力引起的P-效应对地震延性需求的影响较大,而由竖向地震激励引起的P-效应的影响很小;地震延性需求与震级、震中矩、剪切波速等参数之间的线性相关性较小;对于短周期体系,可以采用Lognormal或Frechet分布来描述地震延性需求的概率分布,而对于长周期体系,采用Frechet分布则更为合理。     

双向地震激励和P-效应对延性需求的影响

利用规一化位移作为控制参数,以圆形屈服面来描述双向规一化抗侧恢复力之间的耦合效应,且综合考虑P-效应、强度退化、刚度退化、应变硬化等因素的影响,建立了双向地震作用下非弹性双自由度体系地震动力响应分析的新型双轴Bouc-Wen模型。结合69条地震记录,定量地分析了双向地震激励和P-效应对延性需求的概率统计特征的影响。计算结果显示：双向地震激励和P-效应对延性需求的影响较大,且影响程度对结构参数的取值比较敏感;长周期体系的延性需求可以描述为Lognormal或Frechet分布,而短周期体系的延性需求描述为Frechet分布更为合理;双向地震激励下的延性需求可以近似表达为单向地震作用下延性需求的平方和开平方。     

钢筋混凝土柱的非弹性恢复力模型与参数识别

结合Bouc-Wen-Baber-Noori(BWBN)模型和微分进化(DE)算法,提出了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钢筋混凝土(RC)柱的非弹性恢复力模型及其参数识别方法,并讨论了破坏模式对RC柱非弹性恢复力模型参数的影响规律。分析结果表明,该模型能够较好地描述弯曲、弯剪和剪切破坏模式下RC柱的典型滞回特性;基于DE算法能够较好地识别RC柱的非弹性恢复力模型参数,具有收敛速度快、识别精度高和全局优化性强等优点;RC柱的非弹性恢复力模型参数与破坏模式密切相关,随着RC柱的破坏模式从弯曲破坏到弯剪破坏和剪切破坏的变化,强度退化、刚度退化、捏拢总滑移量、捏拢斜率等参数均逐渐增大,说明剪切破坏型RC柱的退化效应和捏拢效应更加明显。     

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。     

基于改进Bouc-Wen模型的非线性结构非平稳随机地震响应分析

实际的地震记录表明,地震作用是一个明显的非平稳随机过程。在强震作用下,结构会出现滞回非线性,甚至表现出退化特性。考虑此,采用可以模拟结构退化及捏拢效应的改进Bouc-Wen模型来模拟地震作用下结构的滞回行为。基于等价线性化法,建立了非平稳激励下改进Bouc-Wen系统随机响应的求解过程,同时采用Monte Carlo法验证其准确性,并分析了激励强度、退化程度、捏拢效应等参数的影响。以一木排架结构为例,分析了木排架结构在非平稳地震动作用下的随机响应。结果表明:激励强度越大,系统位移均方根和累积滞回耗能均值越大;退化效应使系统的位移均方根明显增加,但对累积滞回耗能均值影响不大;捏拢效应显著增加了系统的位移均方根,但降低了系统的累积滞回耗能均值;另一方面,计算结果显示退化和捏拢效应使得响应偏离高斯分布的程度有所增加,进而使得等价线性化法的计算误差有一定的增加。     

钢筋混凝土柱的非对称恢复力模型与参数识别

强震作用下钢筋混凝土柱往往表现出明显的强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称性等滞回特性,而传统的恢复力模型难以合理描述上述滞回特性。该文基于Bouc-Wen-Baber-Noori（BWBN）模型,通过在滞回位移与相对侧向位移的微分函数关系中引入描述非对称滞回性质的形状控制参数,建立了一种能够有效考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称滞回特性的改进BWBN模型,进而结合微分进化算法提出了非对称BWBN模型参数的识别技术,并利用钢筋混凝土柱的拟静力往复加载试验数据,对比验证了该模型的有效性。     

双向地震作用下等延性强度折减系数反应谱研究

目前弹塑性反应谱的研究几乎都是以单自由度体系和单向地震输入为前提的,然而实际地震动的多维性,结构非线性的空间耦合特性使得基于单自由度体系的弹塑性反应谱存在局限性,为此本文进一步发展了双向地震作用下单质点双自由度系统的弹塑性反应谱模型.通过硬土、中硬(软)土、软土场地的178条地震记录作为地震输入,采用了不同以往的方法,建立了基于统计的强度折减系数设计谱.按3类不同场地,分析了延性系数、两水平主轴方向周期比对强度折减系数设计谱的影响.并根据统计结果,给出了便于工程应用的等延性强度折减系数简化设计谱公式.     

速度脉冲地震作用下偏心结构的弹塑性抗震研究

研究速度脉冲地震下,刚度偏心、强度偏心和两者组合偏心体系的弹塑性抗震需求。基于新开发的变轴力-双向弯曲模型,选取8条速度脉冲地震记录,进行了强速度脉冲地震效应和偏心布置双重不利条件下单层RC框架结构的弹塑性动力时程分析,讨论了结构的延性、位移、扭矩和扭转角变化规律。结果表明,偏心结构在速度脉冲工况下比在非速度脉冲工况下有更大的弹塑性抗震需求;刚度偏心对结构弹塑性抗震需求不敏感,强度偏心对弹塑性抗震需求的影响最为显著,组合偏心的影响介于两者之间。随强度偏心率增大,弱侧延性需求呈非线性急剧增大,最大达到对称结构延性需求的3.09倍,位移、扭矩和扭转角也迅速增大,偏心率为0.2时扭转角为偏心率为0.05时的6.4倍;建议偏心结构弹塑性分析时宜增加强度偏心作为基本参数,并考虑速度脉冲地震效应。     

近海大气环境下锈蚀RC框架梁恢复力模型研究

为了研究近海大气环境下锈蚀RC框架梁的抗震性能,对8榀经受不同盐雾腐蚀循环作用的RC框架梁进行了低周反复加载试验,分析RC框架梁的滞回特性。基于试验结果,得到了带有负刚度段的三折线骨架曲线,并根据完好构件恢复力模型特征参数,得到了考虑钢筋锈蚀率和配箍率的锈蚀RC框架梁骨架曲线特征点计算公式。采用回归分析法,得到基于滞回耗能的循环退化指数,通过循环退化指数建立可综合考虑构件的捏拢效应、强度退化、卸载刚度退化、硬化刚度退化和再加载刚度加速退化的锈蚀RC框架梁恢复力模型。研究表明:随着钢筋锈蚀程度的增加,锈蚀RC框架梁的抗震性能劣化较明显,滞回耗能逐渐降低;配箍率对锈蚀RC框架梁恢复力特性的影响与未锈蚀RC框架梁相似;所建立的恢复力模型能够较好的描述锈蚀RC框架梁的滞回特性,可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

自复位防屈曲支撑结构动力位移反应的关键参数

自复位防屈曲支撑特殊的恢复力模型使得安装有这种支撑的结构在地震作用下的反应与传统结构大不相同,因此开展此种结构抗震性能的研究十分必要。该文首先根据较高的性能目标提出一种简单且足够精确的自复位防屈曲支撑结构的恢复力模型;然后结合单自由度自复位防屈曲支撑体系的运动方程确定影响该种结构地震位移反应(即最大非线性位移及位移比谱)的所有独立参数;并证明了无刚度和无强度退化结构的非线性位移比与地震动的幅值无关。最后通过两个例子证明了该文的结论。     

延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响分析

在目前结构抗震设计中,将调幅后的地震动记录作为地震动输入匹配规范谱的方法非常常见;为了分析延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响,通过计算单自由度体系动力时程弹塑性反应,分析了延性系数、调幅因子等因素对等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的影响。经研究分析得出在不同延性系数、调幅因子条件下等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的变化规律:当周期确定时,对地震动记录进行调幅时等延性地震抗力谱谱值变化趋势与调幅因子增减相同,而等延性屈服强度谱不变;延性系数逐渐增大时,等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的谱值会逐渐减小。研究成果解释和阐明了延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响以及复杂的地震作用与结构动力特性之间的关系,可以为结构抗震研究和设计提供依据。     

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。     

考虑双向地震激励的标准化地震输入能量反应谱研究

以往地震输入能量谱的研究几乎都是以单自由度体系和单向地震输入为前提, 没有考虑地震动的多维性和结构非线性反应的空间耦合性。于是, 建立单质点双自由度体系, 假设体系的弹塑性关系为满足二维屈服面函数的理想弹塑性形式, 基于此模型提出双向地震动作用下标准化的地震输入能量反应谱理论。以硬土、中硬(软)土和软土三类场的地震记录作为体系的双向激励, 建立统计平均的等延性系数标准化地震输入能量谱。分析场地类别、延性系数、两水平主轴方向周期比对标准化地震输入能量谱的影响。分析表明:各类场地分别具有独自的谱形特征和规律性;延性系数对硬土场地和中硬(软)土场地的谱值影响较明显, 而对于软土场地, 除长周期外影响很小;周期比 ζ 对谱值具有一定影响;基于单自由度体系建立的输入能量谱在某些情况下会高估能量反应。     

双向耦合效应对FPS隔震桥梁地震响应的影响

利用两正交水平方向力的作用条件下FPS支座非线性动力行为的双向耦合弹塑性恢复力数学模型,针对一典型大跨度FPS隔震连续梁桥,对比了在墩高、球面半径和支座屈服强度等参数变化的情况下,考虑和忽略FPS支座恢复力的双向耦合作用时桥梁的非线性时程响应结果。研究表明这种双向耦合作用对隔震桥梁的地震响应有着重要的影响,如果忽略双向耦合作用,会大大低估支座变形的峰值响应,这对隔震桥梁设计是不利的。     

速度脉冲地震和结构偏心耦合效应对结构影响系数的修正

研究结构偏心和速度脉冲强震双重耦合不利对钢筋混凝土框架体系结构影响系数的修正措施。通过理论推导建立该耦合不利效应对结构影响系数的修正方法,给出修正系数计算流程。以最不利的强度偏心框架为对象,分别选取10条速度脉冲型和非速度脉冲型地震加速度记录,开展非线性动力时程分析,量化速度脉冲地震效应、偏心率、结构延性和楼层数对修正系数的影响规律。基于数值分析结果,建立修正系数的拟合关系式。结果表明,速度脉冲地震工况下的修正系数明显大于非速度脉冲工况。修正系数随偏心率增大,先线性增大后非线性急剧增大。偏心较小时,延性对修正系数的影响较小;偏心较大时,修正系数随延性的增大而减小。楼层数对修正系数无明显影响。拟合的修正系数关系式可为抗震设计中综合考虑速度脉冲地震和结构偏心的不利影响提供参考。     

损伤方钢管混凝土框架加固后滞回性能试验与理论研究

为了研究损伤方钢管混凝土结构加固后的抗震性能,基于一榀三层两跨的损伤方钢管混凝土框架加固后的拟静力试验,分析了反复水平荷载作用下框架的滞回性能,并根据滞回曲线进一步得出了框架顶层骨架曲线及相应的恢复力模型,研究了钢管混凝土框架的延性、强度与刚度的退化等性能。采用非线性有限元分析方法,将恢复力模型应用到混凝土弹性模量退化方程中,并对试验进行了数值模拟。结果表明:理论分析结果与试验结果吻合较好。     

近海大气环境下锈蚀钢框架梁抗震性能试验及恢复力模型研究

为了研究近海大气环境下锈蚀钢框架梁的抗震性能,对5根钢框架梁进行了近海大气环境加速腐蚀试验和低周反复加载试验,分析了不同锈蚀程度对钢框架梁破坏模式、承载能力、变形能力及耗能能力等的影响。结果表明:随着锈蚀程度的增加,试件底端翼缘屈曲、腹板鼓曲及塑性铰形成所对应的位移逐渐减小;试件承载力及延性显著降低,强度和刚度退化明显,耗能变差。在试验研究的基础上,引入循环退化指数,建立了能够反应强度、刚度循环退化效应的锈蚀钢框架梁恢复力模型;并与试验滞回曲线进行对比,两者吻合较好,验证了该恢复力模型的适用性。研究成果为近海大气环境下在役钢结构的抗震性能评估奠定了试验与理论基础。     

自复位结构延性需求谱研究

自复位结构的滞回曲线为旗帜型,具有延性好、损伤小等特点。对旗帜型滞回模型建立单自由度体系,进行弹塑性时程分析,获得了等强度延性需求谱;与代表现浇结构的双线性弹塑性滞回模型进行对比,表明延性需求更大,设计时要通过合理的措施保证更高的延性;研究了整体设计参数,如强度折减系数、抬起后刚度和滞回耗能能力对自复位结构的延性需求影响,说明了旗帜型滞回模型的非线性反应谱特征;对模型进行参数分析,说明了抬起后刚度系数α和耗能系数β对旗帜型滞回模型的影响。结果表明,在一定程度上增加α或增加β,可以减小自复位结构的延性需求。     

内置暗支撑钢筋混凝土剪力墙恢复力模型研究

内置暗支撑钢筋混凝土剪力墙具有施工方便、承载力高和延性好等一系列优点。在6片一字型足尺内置暗支撑剪力墙低周往复荷载作用试验的基础上,采用四折线恢复力模型对其滞回曲线进行模拟,并给出关键点的计算公式,得到了内置暗支撑钢筋混凝土剪力墙的恢复力模型。经验证,该恢复力模型模拟效果良好,能够较好地反映构件的抗震性能,为内置暗支撑钢筋混凝土剪力墙结构进行弹塑性地震反应分析,奠定了理论基础;同时,利用MATALAB进行了基于刚度退化数据的回归分析,得到了刚度退化的计算公式;研究表明,剪力墙水平位移的变化是其刚度退化的宏观结果,其水平位移主要与内置暗支撑剪力墙的剪跨比、轴压比等因素有关。