高层建筑结构抗震性能评估方法的研究与改进

为在高层建筑静力弹塑性分析中考虑高阶振型的影响,在模态Pushover分析方法基础上,采用能力谱法替代原有的动力时程分析,在现行规范加速度反应谱基础上计算结构各振型等效单自由度(ESDOF)体系各性能水平的位移反应,然后将其转化为相应多自由度(MDOF)结构的位移反应,并通过振型组合方法(SRSS)求得结构的总位移反应,用其与剪力墙的目标位移进行比较,判断设计结果是否满足性能目标要求。结果表明:该方法较合理地反映了结构在设计地震作用下的位移需求。     

二质点模型在Pushover分析中的应用

对常见的主要失效模式为下部破坏型结构在强烈地震作用下的位移需求估计,常规的Pushover方法和模态Pushover方法不能得到满意的结果。为此,本文提出等效成二自由度体系的Pushover分析方法,并推导了多自由度体系等效成二自由度体系的计算公式。分别采用常规Pushover方法、模态Pushover方法、等效成二自由度体系的Pushover方法以及时程分析法对8个7层平面框架结构进行了强烈地震作用下的位移反应分析,同时还对其中的一个结构进行了不同地震动强度水平下的位移反应分析。结果表明,等效成二自由度体系的Pushover分析方法能够较好地估计下部破坏型结构的位移需求。     

改进分析过程的模态pushover分析

Chopra的模态pushover分析需要求解各振型等效单自由度体系动力方程,以得到结构对应振型pushover分析的终止目标位移,进而求解对应多自由度体系的各阶振型下楼层的位移。本文对Chopra的模态pushover分析过程进行了改进,通过振型pushover曲线与弹塑性反应谱相交的性能点来求解对应多自由度体系各阶振型下的楼层位移,以考虑高阶振型对静力弹塑性分析方法的影响。并通过SAP2000实现改进模态pushover分析过程,计算结果表明改进的模态pushover分析可以有效的考虑高阶振型影响。     

对模态Pushover单自由度体系等效方法的改进

模态Pushover分析方法(MPA)可以有效考虑结构高阶振型,但其在确定各阶模态Pushover分析的目标位移时,采用了结构的弹性模态,并未考虑塑形状态下结构力学性能的改变。本文对MPA单自由度体系等效方法进行了改进,提出了MPA的"两阶段"等效方法,并以三个算例验证了该方法的精确性。     

基于能力谱法原理的改进模态静力弹塑性分析

模态静力弹塑性分析法中,动力时程分析部分的可操作性较差,且分析结果不稳定.用能力谱法替代原有的动力时程分析,在现行规范加速度反应谱基础上计算结构各振型等效单自由度体系各性能水平的位移反应,然后将其转化为相应多自由度结构的位移反应,并通过平方和开方法求得结构的总位移反应,用其与结构某一性能水平的位移(层间位移角)限值进行...     

基于多振型组合的风电塔架抗震性能评估方法研究

以基于结构性能的抗震设计理念为应用背景,对风电塔架的抗震性能评估方法进行研究。首先建立目标结构的有限元分析模型,按照设定准则,取前N阶振型,按振型加载的方式进行Pushover加载,获得相应的等效单自由度体系ESDOF(equivalent-single-degree-of-freedom)的能力曲线。然后对原结构多自由度体系和不同的ESDOF体系分别进行弹塑性时程分析。最后将Pushover分析方法和增量动力分析法(IDA)结合起来,尝试用多个等效单自由度体系恢复力模型近似代替原结构进行IDA分析,从而对目标结构进行抗震性能评估。以一个30 m高的预应力风电塔架为例,验证了方法的可行性。本方法结合了多振型组合的Pushover分析方法与能量IDA方法,实现了对风电塔架可靠有效、计算成本较低的抗震性能评估,对未来大型复杂的风电塔架结构抗震分析和性能评估有一定的参考意义。     

高层建筑结构直接基于位移的抗震设计方法

首先对结构进行自由振动分析,求出各阶振型的弹性自振周期及相应的振型值;然后根据各振型的自振周期,由位移反应谱导出单自由度体系的等效位移,接着由等效原理反推出结构各振型的弹性位移,振型组合后得到结构的位移曲线;再由与性能水平相应的结构层间侧移角限值确定结构各振型目标侧移,对其分别进行分析计算,振型组合求得结构层间剪力,实现了考虑高振型影响的高层建筑结构直接基于位移的抗震设计。通过算例介绍了方法的全过程,并由弹塑性时程分析验证了方法的可行性,为高层建筑结构直接基于位移的抗震设计提供了一个可供参考的思路。     

基于能量平衡的位移自适应多模态Pushover分析方法

为克服传统Pushover方法的局限性,提出了基于能量平衡的位移自适应多模态Pushover方法。这种方法结合了能量平衡方法和位移自适应Pushover方法,对所考虑的各个振型分别进行Pushover分析,然后将所得各个模态性能点处对应的各向性能指标按SRSS组合规则进行组合。这种方法可以考虑高阶振型影响以及结构屈服以后侧向力分布的变化,同时也避免了传统基于位移自适应Pushover方法无法反映高阶振型影响以及Pushover分析中侧向力折返问题。为验证所提出方法的预测效果,选取3个高层钢框架作为案例,将基于能量平衡的位移自适应多模态Pushover与传统基于模态Pushover分析方法及弹塑性动力时程分析的计算结果进行对比,结果表明:提出的方法能够很好地预测高层钢框架结构的楼层位移和层间位移角。     

在用RC框架结构基于位移的抗震性能评估

根据能力谱方法的基本原理 ,建立了在用RC框架结构基于位移抗震性能的评估方法。该方法采用了振型分解法建立的多自由度体系和等效单自由度体系之间的转换关系 ,以及由现行《建筑抗震设计规范》的反应谱曲线建立的结构抗震要求曲线。用本文方法对清华大学主楼 1 0层钢筋混凝土框架结构进行了抗震性能评估 ,同时进行了小震和大震作用下的弹塑性时程分析。本文方法得到的顶点位移角、层间位移角和塑性铰分布与时程分析的结果比较符合     

基于能力谱法的单自由度结构易损性分析

为进行基于能力谱法的结构地震易损性分析,采用选定的250条地震波对单自由度结构进行了弹塑性时程分析和弹性时程分析,建立了结构弹塑性时程分析最大位移与Pushover分析最大位移比的平均值和变异系数与相关参数的关系式,其中Pushover分析中的需求谱采用的是按相同地震波进行弹性时程分析建立的反应谱;通过Monte-Carlo方法分析了随机结构参数下Pushover分析得到的最大位移的概率特性,给出了最大位移平均值和变异系数的表达式;采用可靠度计算理论,给出了结构易损概率的计算公式和可靠指标的简化计算公式。结果表明:提出的易损性分析方法通过Pushover分析实现了传统结构易损性分析方法需要进行大量弹塑性时程计算才能达到的目标。     

基于位移自适应能力谱Pushover方法

为改善Pushover方法预测效果,本文提出一种基于位移自适应能力谱Pushover方法。这种方法吸收了基于位移自适应Pushover算法、N2法以及能力谱方法的优势,引入了自适应能力谱特性。同时该方法可以高阶振型影响以及结构屈服以后侧向力分布的变化,也能反映结构瞬时变形状态的影响。为了评价该种方法的预测效果,以两个高层钢框架为例,采用Opensees软件进行Pushover分析以及弹塑性时程分析,将本文提出的方法计算结果与模态Pushover方法,基于力的自适应Pushover方法以及弹塑性时程分析的计算结果进行比较。结果表明:各种Pushover方法对楼层位移的预测效果明显好于层间位移角,基于位移自适应能力谱方法对预测楼层位移以及层间位移角预测效果误差指标小于其他Pushover方法,因此本文提出的这种方法可以有效改善目前Pushover方法预测性能。     

结构静力非线性分析与弹塑性时程分析结果的统计关系及残余变形计算

选取100条地震波并标准化为地面峰值加速度为0.1g～0.5g的地震波,采用Takeda和Kinematic恢复力模型对单自由度体系进行弹塑性时程分析;同时使用100条地震波获得的不同阻尼比的弹性加速度反应谱,基于Takeda、Kinematic模型,采用欧洲规范的方法,对单自由度体系进行静力非线性分析;建立静力非线性分析结果与弹塑性时程分析结果的统计关系以及单自由度体系残余变形与最大塑性位移的统计关系。分析表明：弹塑性时程分析结果的平均值与静力非线性分析结果的关系在一定程度上受地面峰值加速度和结构自振周期影响,基本不受结构刚度退化比影响;基于Takeda和Kinematic模型的静力非线性分析结果略低于弹塑性时程分析结果的平均值,而基于欧洲规范方法的静力非线性分析结果则高于弹塑性时程分析结果的平均值;残余变形与最大塑性位移的关系明显受地面峰值加速度和结构刚度退化比的影响。     

规则结构抗震性能评估的改进能力谱方法

通常结构抗震性能评估的能力谱方法只能考虑结构的第一振型,不能考虑高振型对结构反应的影响,因而得到的结果具有一定的误差。通过引入等效振型和等效振型参与系数,建立一种可以考虑高振型影响的等效单自由度体系,利用结构抗震性能评估的能力谱方法对结构进行抗震性能评估。这种方法可以避免对结构进行复杂的非线性动力时程分析,而且能够得到比动力时程分析更多的结构抗震信息。实例分析表明,在结构的弹性反应阶段高振型对结构位移反应的影响并不显著,但是在非弹性反应阶段,高振型对结构位移反应有较大的影响;通常能力谱方法得到的评估结果比结构的实际反应要小,偏向于不安全的一面,建议的方法能够得到比较合理的结果。     

考虑多振型贡献和弹塑性位移谱的改进地震动强度参数

为减小增量动力分析中结构地震反应的离散程度,提出了改进的地震动强度参数。首先,基于等效模态荷载和模态组合系数,提出并定义模态强度参数。然后,采用推广的模态推覆方法,构造1阶振型的等效单自由度体系,采用非线性时程分析计算该体系的弹塑性位移谱谱值,用于修正1阶模态强度参数。最后,组合各阶模态强度参数,得到改进的地震动强度参数。对不同矢跨比的两个格构钢拱模型进行36条地震波的增量动力分析结果表明,改进参数可有效减小结构反应离散性。相比于其他常用地震动强度参数,该参数对各项需求指标拟合结果的判定系数均处于0.9678~0.9786范围内,拟合标准差均处于0.195~0.239范围内,具有更好的相关性、有效性。同时,该参数拟合斜率较高,具有较好实用性;其拟合残差通过了显著性检验,满足充分性的要求。     

基于能量的模态pushover分析方法

提出了一种基于能量的模态pushover分析方法,解决了高阶模态能力曲线失稳的问题。该方法利用基于结构变形吸收能量的等效位移,计算结构在地震作用下的非线性总体变形,替代模态pushover中基于顶点位移的变形解法,采用基于能量原理的等效单自由度体系,结合等强度谱计算目标位移,以目标位移对应的能量指标求出相应的结构性态反应,采用SRSS方法组合得到结构的最大反应。以9层钢框架结构为例对所提出方法进行了验证,结果表明:该方法可以考虑高阶效应,不会出现能力谱折返的失效情况,而且与时程分析法相比,该方法计算效率高且具有较好的精度。     

偏心框剪结构基于多模态的耗能减震设计研究

结合能力谱法的基本原理,运用基于多模态的耗能减震设计方法对偏心框剪结构进行性能化设计。提出附加阻尼器后结构的性能目标,并对原结构各阶模态进行Pushover分析,得到各阶模态等效单自由度体系最大位移的比值,利用SRSS法将目标位移用第1阶等效单自由度体系的最大允许位移表示。同时依据能力谱法的基本原理计算结构所需附加阻尼比,并根据阻尼系数与层间位移成正比的分配模式对所选粘滞阻尼器进行合理的布置。对原结构与附加阻尼器结构进行时程分析,计算结果表明:附加阻尼器后,结构的位移响应减小较多,层间位移角趋于均匀,其抗震性能可达到预先提出的性能目标。     

单柱式墩高架桥考虑高阶振型影响的简化非线性抗震分析

讨论了高阶振型对结构非线性反应的影响以及对规则程度不同的钢筋混凝土单柱式墩高架桥梁结构进行Pushover分析时高阶振型的贡献.使用考虑高阶振型影响的Pushover分析方法与仅考虑一阶振型的Pushover分析方法和非线性动力时程分析方法进行比较.对于较不规则的桥梁结构,考虑高阶振型影响的简化非线性分析方法能得到较好的分析结果.     

基于位移自适应Pushover分析方法

为了克服传统Pushover方法的局限性,本文提出了一种基于位移自适应Pushover分析方法,这种方法采用位移加载方式进行Pushover。克服了传统基于力的Pushover方法无法准确预测性能指标的缺陷,同时不仅能考虑结构屈服后刚度变化还能(改成以及)考虑高阶振型影响。同时结合本文的Pushover方法,提出了新的目标位移确定方法。为了验证本文方法的有效性,选择了两个基准钢框架进行动力弹塑性时程分析,将各种计算方法结果与动力弹塑性时程分析结果进行比较。结果表明:综合来看,基于位移自适应Pushover方法与其他方法相比能准确预测结构在地震下的楼层位移、层间位移角以及楼层剪力。     

钢筋混凝土框架结构基于位移的抗震设计

RC框架结构基于位移的抗震设计以框架的侧移曲线为基础,将多自由度体系转化为等效单自由度体系。在等效线性化的前提下,用弹塑性位移反应谱求出结构等效周期,得到层间剪力,进行结构构件刚度和承载力设计。同时将框架结构的弹塑性层间位移转化为梁、柱构件的目标侧移角,以确定构件的配箍特征值,保证结构预期的变形能力。该方法可以很好的控制结构在不同强度水准地震作用下的性能。     

高层建筑结构抗风分析的Pushover方法

以某高层建筑结构为例,进行了强风作用下结构的弹塑性风振响应时程分析,在此基础上,进行了将静力弹塑性Pushover方法用于结构抗风设计的可行性研究。通过动力时程分析、规范静力分析及Pushover抗风分析结果的对比发现:在风荷载较小的情况下,高层建筑结构处于弹性状态,由规范给出的静力等效风荷载方法计算得到的结构风振响应可以满足实际工程的需要。在强风作用下,高层建筑结构的部分构件进入塑性变形状态,用所提出的Pushover抗风分析方法计算得到的结构位移响应与时程响应分析结果吻合,而规范静力分析方法的结果偏小。