基于监测数据的高层框架-核心筒结构损伤评估--《哈尔滨工业大学》2010年硕士论文
基于监测数据的高层框架-核心筒结构损伤评估
【摘要】：
我国是地震多发国家,汶川地震及玉树地震造成了大量建筑物破坏和人员伤亡。抗震救灾的实践经验表明,建筑结构的损伤评估是震后急需开展的紧迫工作之一。根据结构的损伤评估结果提出结构继续使用、加固使用及报废等不同等级处理建议,对恢复灾区正常生活秩序具有重要作用。同时,随着我国经济的持续发展,城市人口密度的增加推动了高层建筑的高速发展,出现了大量高层乃至超高层建筑,因此高层建筑结构的震后损伤评估越来越得到人们的重视。
针对应用较广的高层框架-核心筒结构,本文进行了以下损伤评估研究工作。
1)提出基于监测数据修正有限元分析结果的方法。
通过研究发现,材料塑性阶段的本构关系不准确是造成非线性分析结果误差的主要原因。为减小分析的误差,本文提出基于监测数据修正有限元分析结果的方法。首先确定楼层最大位移为修正指标,研究了影响修正系数的因素,进而通过监测数据与计算结果的对比建立修正系数公式,并利用修正系数对有限元结果进行修正,最终得到修正后的楼层最大层间位移。
2)建立了利用修正后的楼层最大层间位移对结构进行损伤评估的方法。
利用修正后楼层的最大层间位移和楼层的子结构有限元模型,分析楼层的折减刚度,建立折减刚度和基于性能的损伤评估的关系,定量和定性对楼层的损伤进行评估,并利用加权组合法对各楼层的损伤进行加权组合得到结构的整体损伤评估。
3)以某高层框架-核心筒结构的振动台试验模型为例,验证了本文提出的损伤评估方法。
首先建立模型结构ABAQUS实体计算模型进行地震过程的分析,并利用模拟地震振动台试验的监测数据修正有限元分析结果,然后根据模型结构的特点,将结构分为10个代表楼层,利用修正结果求得各代表楼层的折减刚度,最后对各代表楼层的折减刚度进行加权组合,得到整体结构的折减刚度。通过折减刚度和损伤程度之间的对应关系即可对各代表楼层和整体结构进行了定性损伤评估。经与振动台试验实际观察损伤情况相对比,证明了本文提出的方法能够对高层框架-核心筒结构楼层损伤程度和整体结构损伤程度进行有效的评估。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TU973.17;TU312.3【目录】：
Abstract5-8
第1章 绪论8-17
1.1 课题背景及来源8
1.2 损伤识别的研究现状8-14
1.2.1 损伤的定义8-9
1.2.2 损伤识别方法9-11
1.2.3 损伤识别的研究现状以及存在的问题11-14
1.3 建筑结构地震损伤评估的研究进展14-16
1.3.1 构件层次的地震损伤评估14-15
1.3.2 结构层次的地震损伤评估15-16
1.4 主要的研究内容16-17
第2章 基于监测数据的有限元结果修正17-27
2.1 引言17
2.2 地震过程的有限元模拟17-21
2.2.1 有限元模型建立17-18
2.2.2 地震动力弹塑性时程分析18-21
2.3 利用监测数据修正有限元结果21-26
2.3.1 选择修正指标21-25
2.3.2 修正系数的确定25-26
2.3.3 修正有限元数据26
2.4 本章小结26-27
第3章 高层框架-核心筒结构损伤评估方法27-34
3.1 引言27
3.2 地震作用下混凝土高层建筑结构破坏准则27-29
3.3 楼层的损伤评估29-32
3.3.1 楼层刚度计算31
3.3.2 刚度折减对应的损伤程度31-32
3.4 结构的整体损伤评估32-33
3.5 本章小结33-34
第4章 某高层框架-核心筒结构的损伤评估34-65
4.1 引言34
4.2 某高层框架-核心筒结构的振动台试验有限元模拟34-49
4.2.1 振动台试验简介34-38
4.2.2 有限元模型建立及验证38-41
4.2.3 利用有限元模型进行地震时程分析41-49
4.3 利用监测数据修正有限元结果49-54
4.4 楼层的损伤评估54-63
4.4.1 楼层的损伤评估55-60
4.4.2 楼层损伤评估结果与试验现象的比较60-63
4.5 结构整体损伤评估63
4.6 本章小结63-65
参考文献66-70
攻读硕士学位期间发表的论文70-72
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基于性能的抗震设计在建筑结构方面应用研究
基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者提出，按此理论设计的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。基于性能的抗震设计作为一种更合理的设计理念，代表了未来结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重视。我国国家自然科学基金&八五&重大项目&城市与工程减灾基础研究&的有关专题就开始涉及到这方面的研究。国家自然科学基金&九五&重大项目&大型复杂结构体系的关键科学问题和设计理论&的一些专题包含了这方面的部分内容。中国建筑科学研究院工程抗震研究所联合国内部分高校和研究所开展了&我国2000年工程抗震设计模式规范&的研究，并于2000年《建筑结构学报》第一期介绍了这方面的研究成果。&
目前，基于性能的抗震设计思想已经渐渐为许多建筑结构的设计、施工、维护所采用。&
一、大跨度悬臂桁架结构&
范峰等在研究了悬臂桁架结构的强震失效机理的基础上，详细介绍了基于性能的抗震评估方法&&增量动力分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）的基本原理和具体实施步骤，阐述了IDA方法相关参数的确定原则，并利用该方法对悬臂桁架结构进行了有效的抗震性能评估，从概率的角度评价了悬臂桁架结构在未来遭遇地震时的可靠性。&
二、钢筋混凝土高墩&
李正英等根据钢筋混凝土高墩的地震反应特性，确定采用曲率延性系数作为性能参数，并给出桥墩在地震作用下曲率延性系数对应各性能水准的量化值。分别以位移延性系数、位移角限值以及曲率延性系数作为性能评价指标，采用增量动力分析法对桥墩进行抗震性能研究。&
三、桥梁结构&
邹永旺，贺国京在分析方法的基础上，应用统计的强度折减系数模型，基于概率分析方法，应用随机地震作用模型考虑地震作用的随机性，评估桥梁结构在确定性烈度的地震作用下和年基准期内的抗震可靠度。&
穆哲，杨光辉对红旗村黄河大桥进行了Pushover分析和抗震能力评估，最后分析了现有加载模式和非线性分析的差异。Pushover分析方法是一种用于预测地震动作用下将复杂的动力弹塑性问题简化为静力弹塑性问题的近似方法，主要讨论结构在地震动作用下所受到的变形和力。其基本原理是：在结构分析模型上施加某种方式的荷载（如模态荷载、均匀荷载、倒三角形荷载等）来模拟地震水平惯性力。&
抗震性能目标规定为在给定设计地震动水平下结构超过规定的抗震性能水平的条件概率，以期解决我国公路桥梁的抗震设防目标长期没有规定预期的可靠度的问题；采用一次二阶矩法，建立基于需求能力系数的抗震性能设计的极限状态方程，该方程同时考虑结构地震需求和抗震能力的不确定性。&
四、RC框架结构&
崔双双，吕大刚采用静力能力谱方法、动力能力谱方法和时程分析方法，对所设计的RC框架结构进行分析，研究不同强度需求谱作用下结构整体抗震性能系数的需求值。针对&侧向连续倒塌&失效模式，采用基于备用荷载路径的Pushover方法、静力能力谱方法、IDA方法和位移需求能力系数法，分别从强度、耗能以及变形的角度，对所设计结构的抗侧向连续倒塌能力进行研究，并将基于承载力的鲁棒性指标分别拓展到基于谱加速度和变形的鲁棒性指标。针对&竖向连续倒塌&失效模式，采用考虑构件失效加载方案的Pushdown分析方法和考虑构件失效时长的竖向IDA分析方法，分析损伤结构在初始屈服状态、整体屈服状态和承载能力极限状态时的抗竖向连续倒塌能力，并得到其相应的抗竖向连续倒塌鲁棒性指标。&
杨伟，欧进萍等在基于性能的抗震设计理论研究的基础上，针对Park&Ang提出的双参数损伤模型，首先研究了其简化的计算方法；在已有的&规范设计+损伤验算&的损伤设计理论基础上（这种损伤性能设计方法是将规范设计方法中的弹塑性变形验算改为损伤性能验算），进一步研究钢筋混凝土结构直接基于损伤性能的抗震设计方法。研究了基于Park&Ang损伤模型的弹塑性反应谱（&损伤谱&，损伤谱综合考虑了结构最大位移反应和结构累积滞回耗能的耦合作用）。&
马倩等针对传统能力谱法以基本振型为振动控制向量的缺陷，研究了高阶振型对结构动力反应的影响，详细推导了考虑高阶振型影响的结构动力方程；对钢筋混凝土框架进行了模态能力谱分析（简称MPA法）和时程分析，所得层间位移角曲线与倒三角、多振型楼层惯性力组合以及基本振型加载下的结果对比显示，高阶振型对高层结构的动力反应影响明显，采用模态能力谱法能有效提高结构性能评价的精度。&
五、火电厂主厂房框排架结构&
尹龙星等探讨静力弹塑性推覆（Pushover）分析方法在不规则结构分析中的适用性，论证多维空间推覆方法和考虑高阶振型对火电厂主厂房框排架结构的影响。研究不同加载模式下结构能力曲线和破坏模式的区别，并分析了不同状态下结构内力、变形、塑性铰分布与时程分析结果的差异。利用ATC40能力谱法和改进能力谱法对框排架结构进行抗震性能评估，探讨能力谱法用于不规则结构时的可行性，同时对比分析两种方法在评估过程中的优缺点，给出不同状况下的应用建议。基于性能的抗震设计是未来结构抗震设计的发展方向，基于损伤性能的抗震设计方法是其中重要的一部分内容。&
六、总结&
目前在结构中常用的基于性能的抗震设计分析方法主要包括：基于位移的设计方法、基于损伤性能的设计方法、基于能量的设计方法、综合设计方法、基于可靠度的设计方法等，基于位移的抗震设计方法大致有控制延性的方法（能力设计方法）、能力谱法和直接基于位移法。另一说法，目前在结构中常用的基于性能的抗震设计分析方法主要包括基于静力的分析方法、基于动力的分析方法、能力设计方法、结构易损性分析方法、综合设计法。基于静力的分析方法主要包括能力谱法、位移修正系数法、设计谱方法、适应谱推覆分析方法（Pushover法）、模态推覆分析方法（模态Pushover法）以及Ay-Dy格式地震需求谱等。基于动力的分析方法主要包括弹塑性时程分析法、增量动力分析法（IDA）、蚁群优化法等。（作者单位：大连理工大学建设工程学部）&
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微信，扫一扫，添加我为好友。基于性能的抗震设计
0引言汶川地震、玉树地震和芦县地震使人们再次看到抗震结构设计的重要性,如何提高抗震性能又保证经济效益,是我们面临的一大问题。随着经济水平的提高,我国的超限高层建筑工程越来越多。这些工程在房屋高度、规则性等方面都不同水平地超过现行标准规范的适用范围,如何进行抗震设计缺少明确具体的目标、依据和手段,按照《全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会抗震设防专项审查办法》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》等的要求,需要根据具体工程实际的情况,进行分析、研究,必要时还要进行试验,从而确定采取比标准规范更加有效的抗震措施,设计者的论证还需要超限额审查,以期保证结构的抗震安全性能,这就提出了基于性能的抗震设计。1传统的抗震设计方法局限性按我国抗震规范进行抗震设计的建筑,其抗震设防目标是:当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需要修理可继续使用,当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般证人...&
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管道运输是能源输送的主要手段。我国属于多发地震国家，跨越管道作为长输管道工程的重要组成部分，不可避免的建在地震多发区。由于跨越管道具有柔度大、阻尼性低、频谱不均匀，垂直和水平弯曲振动及扭转振动的固有频率低等特点，其动特性分析、地震响应分析、抗震设计方法的研究已成为管道跨越工程设计中的重要课题。基于性能的抗震设计是目前土木工程结构抗震领域研究的前沿性课题，在钢筋混凝土结构抗震方面，已经提出了钢筋混凝土结构地震损伤的“三水准”性能目标、地震损伤计算方法和地震损伤性能设计方法。但是，关于跨越管道基于性能的抗震研究成果还未见报道。因此，本文基于地震损伤性能的思想，以悬索跨越管道为研究对象，主要进行了以下几个方面的研究：第一章：论述了国内外目前关于管道抗震研究概况和基于性能的抗震设计的研究进展，提出了本文所要研究的主要内容。第二章：简述了已有的有关跨越管道动特性的计算方法，得出了适用于悬索跨越管道的计算模型及其动特性的计算方法。第三章：本...&
(本文共65页)
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基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初美国、日本等国家的学者根据近年来的震害调查提出的抗震设计思想,现己成为21世纪各国抗震设计规范修订的主流方向。基于性能的抗震设计的目的是将所设计的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内,使结构震后的功能得以延续,维持。随着人们认识和研究的不断深入,基于性能的抗震设计方法得以广泛应用,其优越性也会越来越明显。汶川大地震后,国人特别是地震工作研究者对于抗震设计理论的反思及进一步研究是必然的,这也会增强我们对于基于性能的抗震设计理论的关注度。钢管混凝土结构因为其优异的抗震性能,在高层特别是超高层建筑中使用越来越广泛。我国一些学者认为超限高层建筑设计比较适合首先采用基于性能抗震设计理论,并认为在我国超限高层建筑中试点采用基于性能抗震设计的时机已经成熟。本文针对方钢管混凝土柱及方钢管混凝土组合结构,结合基于性能的抗震设计理论,进行以下研究工作:1.根据抗...&
(本文共65页)
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随着经济的发展和人口密度的增大,近年来的震害表明,虽然减少了人员伤亡,但地震所造成的损失去却越来越大,建筑物使用功能的丧失和震后重建所花费的时间和费用将大大超出社会和业主所能承受的限度。学者们结合震害分析了现行规范的不足。在这一背景下,20世纪90年代初期由美国学者首先提出基于性能的抗震设计思想,并引起了各国的广泛关注,现已成为21世纪各国抗震设计规范修订的主流方向。本文针对抗震分析方法中简便而有效的能力谱法,结合基于性能／位移的抗震评估和设计理论,进行了以下研究工作：(1)近年来地震带来的巨大损失说明了我国现行规范抗震设计方法的不足,介绍了基于性能的抗震设计在国内外的研究概况,阐述了基于性能的抗震设计的目的、内容和设计方法,并总结了基于性能的抗震设计有待解决的问题。(2)介绍了静力弹塑性分析(push-over分析)同基于性能的抗震设计的关系,及push-over分析的主要功能、优点和缺点,以及push-over分析理论的发展...&
(本文共96页)
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近些年来,随着大量的震害分析和实践经验的积累,人们对工程抗震的认识不断深入。基于性能的抗震设计方法是近年来提出的并备受关注的一种新的抗震设计思想。本文对这种新的抗震设计理论作了简要评述。1现行抗震设计方法的不足和基于性能的抗震理论的提出目前,各国的抗震设计规范大多采用“小震不坏,中震可修和大震不倒”的三水准抗震设防准则,我国现行抗震规范也是如此。我国是采用二阶段抗震设计方法来实现三水准的抗震设防要求的。这二阶段设计方法是:第一阶段进行强度验算,即取第一水准烈度的地震动(小震)参数,采用弹性反应谱计算结构的弹性地震作用及效应,并与其它荷载效应进行组合,对结构进行抗震承载力和弹性变形验算,以保证必要的强度和变形要求;第二阶段进行弹塑性验算,即对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构,按第三水准烈度的地震动(罕遇地震)参数进行薄弱层的弹塑性变形验算,并采取相应的构造措施以满足"大震不倒"的设防要求。虽然规定了三水准的设防准则,但由于规定过...&
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1基于性能的抗震设计方法1.1抗震性能目标设定和选用结构的超限程度会直接影响结构的延性变形能力。抗震性能目标是指在预期的设定地震中对建筑结构造成的预期性影响。所以应该运用结构的不规则程度对复杂超限高层建筑的抗震设计从提高延性变形能力、增强承载力两方面考虑合适的手段保证安全。建筑业主要向设计者提供此建筑物的抗震强度、对于业主的重要程度以及震后的修复难度等多方面选择抗震性能目标,而设计要向业主给予经济和技术上的分析。这些目标的选定要在方案设计和结构安全两方面之间进行。在此本文结合我国的抗震规范针对混凝土基于性能的抗震设计方法,对结构构件提出五种性能水准:1.1.1小震弹性在小震作用下,建筑结构的抗震承载力要满足规范要求,结构的层间位移也要在规范位移范围之内。在设计构件时也要让构件满足抗震设计规范。1.1.2中震弹性在中震作用下不考虑中震组合内力调整系数时构件要满足抗震设计规范。1.1.3中震不屈服在中震作用下不考虑中震组合内力调整系...&
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建筑结构损伤理论及其地震损伤评估研究.pdf109页
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同济支学中谙博士学位论文 搐
要 损伤力学的研究水平距离在结构设计和鉴定中的实际应用还有很大的距离，具体
反映在设计规范或鉴定规范中几乎没有出现损伤变量、损伤指标、损伤本构关系等概
念。尽管国内外科技人员试图将损伤力学中的概念和思维方式及技术路线引入工程设
计与鉴定中，但具体内容和方法出入很大。 本文以建筑结构损伤评估为背景，将损伤力学基本概念和理论应用于材料、构件
及其结构的损伤评估中来，建立了含有损伤参数的有限元模型，试图解决了以往只能
通过经验公式以及定性分析来反映既有框架结构损伤的问题。 建立了基于试验数据的混凝土材料受压弹塑性损伤本构方程，认为混凝土损伤不
仅包括有效截面减小，而且包括累积残余变形造成的割线模量损失，在此基础上，将
混凝土损伤变形分成二部分，由此损伤也可以分为二个组成部分，即累积塑性损伤和
弹性损伤。 在混凝土材料损伤的基础上，利用纤维模型，建立了压弯构件截面考虑混凝土材
料损伤的弯矩一曲率关系，并提出了一种构件截面损伤评估方法和截面损伤指标。 利用截面损伤的评估方法和损伤铰的概念，建立了构件集中损伤模型，假定构件
损伤变形只集中发生在损伤铰内，而杆件仍为弹性单元，在集中损伤模型的基础上，
将由考虑材料损伤效应得到的截面损伤指标直接代入构件集中损伤模型中去，得到构
件带损伤值的本构方程和单元刚度矩阵的表达式，为考虑损伤的结构有限元分析奠定 了基础。
分析得到各个损伤铰的损伤值分布情况，将损伤值代入结构后，对带损伤结构再进行
第二次PUSHOVER分析，求得带损伤结构的刚度变化，从而求得结构整体
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