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不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计理论和方法

作　者: 门进杰
导　师: 史庆轩
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 基于性能的抗震设计和评估竖向不规则结构平面不规则结构抗震设防标准结构性能水平及量化指标等ζ_y延性谱法非线性静力分析侧向力分布层间能力谱法扭转角能力谱法易损性分析
分类号: TU375.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着基于性能抗震设计理论逐步被地震工程界所认同，对其研究已成为当前地震工程界的热点。该理论以结构抗震性能分析为基础进行设计，可充分发挥工程师的主动性，是设计理念上的一次变革，开展这方面的研究对工程结构的抗震设计具有重大的意义。本文围绕不规则钢筋混凝土结构基于性能的抗震设计与方法进行了以下几个方面的研究工作。针对我国现行抗震规范中，地震作用水平从多遇地震到罕遇地震的超越概率相差较大的现状，提出一中小震的概念，从而形成“四水准”的设防目标。在统计分析大量国内外钢筋混凝土柱试验数据的基础上，建立了结构在地震作用下处于暂时使用和修复后使用性能水平的量化指标。通过计算分析，表明按现行规范“小震不坏”进行设计的结构，不一定能保证“中震可修”，而按照本文提出的“中小震”进行结构抗震设计，可以保证“中震可修”。通过单自由度的动力方程，以屈服承载力系数ζ_y为参量，建立了基于延性系数的弹塑性需求曲线方程，通过单自由度体系的计算分析，得到等ζ_y延性需求谱和等延性ζ_y谱，提出了基于等ζ_y延性需求谱的结构抗震性能评估方法。通过计算分析，结果表明该方法可以有效的对工程结构的抗震性能进行评估。在分析总结几种常见的非线性静力分析侧向力分布形式的基础上，提出两个基于多自由度体系振型的侧向力分布计算方法：30％方法和部分SRSS方法。针对竖向不规则结构的特点，考虑框架结构层间侧向刚度的影响，对传统的水平侧向力分布进行了修正，提出了改进的水平侧向力分布形式。通过计算分析，结果表明本文所提出的侧向力分布模式可以较好的用于刚度发生突变时竖向不规则框架结构的非线性静力分析。考虑结构在地震作用下不同反应阶段的动力特性，根据结构的振型分析，按照结构在不同地震作用水平时的性能要求，采用振型反应谱法，建立起结构在不同地震作用水平下的弹塑性需求曲线族，即结构的层间剪力—层间位移需求曲线，提出了以各楼层为研究对象的层间能力谱法。通过计算分析，结果表明层间能力谱法可以有效的用于对竖向不规则结构进行基于性能的抗震设计和评估，并能控制结构在不同地震作用下的变形性能、塑性铰出现顺序及部位，与时程分析方法相比偏于保守，且比直接基于位移的设计方法具有明显的优势。针对平面不规则结构地震作用的分布特点，提出了4种非线性静力分析的水平侧向力分布计算方法：二次分配法、分层法、动力偏心法和动力分层法，从而实现平面不规则结构的非线性静力分析。通过计算分析，结果表明本文所提出的水平侧向力分布模式可较好地用于平面不规则框架结构的非线性静力分析，所得到的塑性铰分布、层间侧移角等与时程分析结果符合较好。从现行规范对平面不规则结构的限制条件出发，推导出了结构层间扭转角与扭转位移比的关系式，结合框架结构在不同性能水平下的层间侧移角限值，建立了平面不规则框架结构在不同地震作用水平下的扭转角需求曲线，提出了扭转角能力谱法。计算分析表明，按照本文所提出的扭转角能力谱法可方便有效的对平面不规则框架结构进行基于性能的抗震评估和设计。地震易损性分析与基于性能的抗震设计理论相结合，可以更为全面和系统地对结构的抗震性能进行评估。考虑不同的单元模型和恢复力模型，选取40条实际地震加速度记录，形成了120个结构体系—地震动系统样本。分别选取竖向不规则框架薄弱层的层间侧移角和平面不规则结构的最大层间扭转角为易损性变量，通过对系统样本进行非线性动力分析和回归分析，提出了不规则框架结构易损性曲线的建立方法。计算分析表明，利用本文建立的易损性曲线可方便有效的对不规则钢筋混凝土框架结构的抗震性能进行评估。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
1 绪论  14-30
  1.1 概述  14-15
  1.2 基于性能的抗震设计理论的提出和研究概况  15-18
    1.2.1 基于性能的抗震设计理念提出的背景  16-17
    1.2.2 基于性能的抗震设计理论的提出和发展  17-18
  1.3 基于性能的抗震设计理论  18-25
    1.3.1 基于性能的抗震设计理论的研究内容  18-22
    1.3.2 基于性能的抗震设计理论和方法中存在的问题  22-25
  1.4 本文主要的研究内容  25
  参考文献  25-30
2 基于性能的抗震设防目标和性能指标的量化  30-48
  2.1 概述  30
  2.2 抗震设防目标和地震作用水平  30-34
    2.2.1 我国抗震规范的设防目标和地震作用水平  30-32
    2.2.2 四个地震作用水平的提出  32-33
    2.2.3 结构性能水平和“四水准”抗震设防目标的提出  33-34
  2.3 钢筋混凝土框架结构性能指标的量化  34-40
    2.3.1 我国抗震规范的结构性能指标  34-35
    2.3.2 结构性能分析  35-36
    2.3.3 结构性能指标的试验统计分析  36-40
  2.4 影响框架结构性能指标的因素分析  40-42
    2.4.1 屈服层间位移角与纵筋配筋率的关系  40-41
    2.4.2 屈服层间位移角与轴压比的关系  41
    2.4.3 层间刚体转动位移的扣除  41-42
  2.5 结构性能指标的验证分析  42-45
    2.5.1 结构性能水平和地震作用水平的相关参数  42-43
    2.5.2 结果分析  43-45
  2.6 小结  45
  参考文献  45-48
3 弹塑性需求谱在基于性能的抗震设计理论中的应用  48-64
  3.1 概述  48-49
  3.2 能力谱法和弹塑性需求谱  49-55
    3.2.1 能力曲线  49
    3.2.2 需求曲线  49-52
    3.2.3 R-μ关系研究  52-54
    3.2.4 等效阻尼比的计算  54
    3.2.5 能力谱法的基本步骤  54-55
  3.3 基于性能的抗震评估的等ζ_y延性谱法  55-58
    3.3.1 弹塑性反应谱的建立  56-57
    3.3.2 等ζ_y延性谱和等延性ζ_y谱的建立  57-58
    3.3.3 等ζ_y延性谱的抗震评估步骤  58
  3.4 基于性能的抗震评估计算分析  58-60
  3.5 小结  60-61
  参考文献  61-64
4 竖向不规则钢筋混凝土框架结构非线性静力分析  64-80
  4.1 概述  64-65
  4.2 几种常见的水平侧向力分布形式及其评价  65-67
    4.2.1 均匀分布  65
    4.2.2 指数分布及倒三角分布  65-66
    4.2.3 MPA法分布  66
    4.2.4 MMC法分布  66-67
  4.3 基于振型的侧向力分布形式  67-69
    4.3.1 多自由度体系的地震反应分析  67-68
    4.3.2 基于振型的水平侧向力分布  68-69
  4.4 基于振型的水平侧向力分布计算分析  69-72
  4.5 竖向不规则框架结构考虑刚度变化的水平侧向力分布  72-73
  4.6 竖向不规则框架结构非线性静力分析  73-77
    4.6.1 地震波的选择  73-74
    4.6.2 结果分析与比较  74-77
  4.7 小结  77
  参考文献  77-80
5 竖向不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震评估方法  80-94
  5.1 概述  80
  5.2 竖向不规则框架结构抗震评估的层间能力谱法  80-84
    5.2.1 方法的提出  80-81
    5.2.2 层间需求曲线的建立  81-83
    5.2.3 层间能力曲线的建立  83-84
    5.2.4 层间能力谱法的计算步骤  84
  5.3 基于性能的抗震评估计算分析  84-90
    5.3.1 非线性静力分析  85
    5.3.2 层间能力曲线  85
    5.3.3 阶段划分与振型分析  85-86
    5.3.4 层间需求曲线及抗震性能评估  86-89
    5.3.5 与能力谱法、非线性时程分析结果的比较  89-90
  5.4 小结  90-91
  参考文献  91-94
6 竖向不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计方法  94-110
  6.1 概述  94-95
  6.2 直接基于位移的抗震设计方法  95-98
    6.2.1 基本原理  95-96
    6.2.2 设计位移谱  96-97
    6.2.3 设计步骤  97-98
  6.3 竖向不规则框架结构基于层间位移的抗震设计方法  98-100
    6.3.1 方法的提出  98-99
    6.3.2 薄弱层的确定  99-100
    6.3.3 设计步骤  100
  6.4 竖向不规则框架结构基于性能的抗震设计算例  100-108
    6.4.1 按小震下结构“正常使用”设计  101-102
    6.4.2 按中小震下结构“暂时使用”设计  102-104
    6.4.3 按中震下结构“修复后使用”设计  104-105
    6.4.4 按大震下结构“防止倒塌”设计  105-106
    6.4.5 与直接基于位移方法的对比分析  106-108
  6.5 小结  108
  参考文献  108-110
7 平面不规则钢筋混凝土框架结构非线性静力分析  110-128
  7.1 概述  110-111
  7.2 结构扭转效应的产生  111-112
  7.3 结构扭转效应计算方法  112-117
    7.3.1 偏心距法  112-115
    7.3.2 动力偏心距法  115-116
    7.3.3 平扭祸联振型分解法  116-117
  7.4 平面不规则框架结构水平侧向力分布计算  117-119
    7.4.1 二次分配法  117-118
    7.4.2 分层法  118
    7.4.3 动力偏心法和动力分层法  118-119
  7.5 平面不规则框架结构非线性静力分析  119-124
    7.5.1 结构分析  119
    7.5.2 结构参数计算  119-120
    7.5.3 侧向力分布系数的计算  120-121
    7.5.4 推覆分析  121-123
    7.5.5 时程分析及结果比较  123-124
  7.6 小结  124-125
  参考文献  125-128
8 平面不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震评估和设计方法  128-148
  8.1 概述  128
  8.2 平面不规则框架结构抗震评估的扭转角能力谱法  128-135
    8.2.1 扭转位移比与扭转角的关系  128-130
    8.2.2 扭转角需求曲线的建立  130-131
    8.2.3 扭转角的计算  131-133
    8.2.4 扭转角能力曲线的建立  133-134
    8.2.5 扭转角能力谱法的评估步骤  134-135
  8.3 平面不规则框架结构的抗震性能评估和分析  135-144
    8.3.1 算例一  135-138
    8.3.2 算例二  138-144
  8.4 平面不规则框架结构基于性能的抗震设计方法  144-145
    8.4.1 扭转角能力谱法  144
    8.4.2 考虑附加扭矩影响的抗震计算  144-145
  8.5 小结  145-146
  参考文献  146-148
9 不规则钢筋混凝土框架结构的易损性分析  148-168
  9.1 概述  148
  9.2 结构易损性分析方法  148-151
    9.2.1 专家判断法  149
    9.2.2 震害经验统计法  149-150
    9.2.3 理论分析计算法  150-151
  9.3 结构在地震作用下的不确定性分析  151-154
    9.3.1 结构体系的不确定性  151-153
    9.3.2 地震动的不确定性  153-154
  9.4 不规则框架结构易损性分析方法  154-158
    9.4.1 易损性变量的确定  154
    9.4.2 结构的能力概率  154-156
    9.4.3 结构的地震反应概率分析  156-157
    9.4.4 结构的易损性计算  157-158
    9.4.5 结构的易损性分析计算步骤  158
  9.5 不规则框架结构易损性分析及抗震性能评估  158-164
    9.5.1 竖向不规则框架结构易损性分析  158-162
    9.5.2 平面不规则框架结构易损性分析  162-164
  9.6 小结  164-165
  参考文献  165-168
10 结论及展望  168-174
  10.1 结论  168-171
  10.2 问题及展望  171-174
致谢  174-176
附表  176
附表钢筋混凝土柱屈服变形试验数据  176-178
附录  178-179

不规则钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计理论和方法

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