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钢框架结构的地震损伤与倒塌研究

作　者: 李文勇
导　师: 郑山锁
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 钢框架结构数值方法锈蚀率梁柱线刚度比高宽比框架柱轴压比损伤模型增量动力分析
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

较钢筋混凝土结构而言，钢结构以其优异的抗震性能和良好的经济效益而在在大型商场、学校、写字楼、工厂、住宅等建筑物中得到了广泛的应用，未来较长的时间内，钢框架结构在土木工程建设中仍将扮演重要角色。建筑结构往往会因地震作用而造成损伤，而且其损伤会在多次循环荷载作用下逐渐累积，由于损伤累积会对结构各层面造成影响，即材料、构件、整体结构的力学性能逐渐退化，导致结构的承载能力逐渐降低。论文以多层钢框架结构为研究对象，采用数值分析方法研究了钢框架结构在地震作用激励下损伤的演化规律，分别建立了适用于钢框架结构楼层和整体结构的损伤演化模型，并采用增量动力分析（IDA）方法，借助OpenSEES软件对在不同锈蚀率下的钢框架结构进行了地震易损性分析，具体研究内容如下：1、采用损伤前后抗弯刚度的变化量和极限耗能能力的变化量分别表征框架梁和框架柱的损伤，计算分析了型钢截面诸如腹板的高度和厚度、翼缘的高度和厚度对构件的损伤敏感度，揭示了型钢截面主要设计参数对钢框架结构梁、柱的损伤演化影响规律。2、将结构层间最大位移角损伤前后的变化量作为楼层损伤的表征量，并基于ABAQUS软件平台，建立了适用于框架结构的数值建模理论，对往复荷载作用下钢框架结构的每个楼层进行了损伤数值模拟分析，揭示了钢框架结构梁、柱损伤对楼层损伤的影响规律，拟合了梁柱线刚度比、高宽比、柱轴压比及锈蚀率与楼层损伤的关系函数，最终建立了荷载为往复作用情况下的钢框架结构的楼层损伤模型。3、以5层钢框架结构为研究对象，通过引入结构楼层滞回耗能层间参与系数，采用加权系数法构造了表示结构损伤的数学关系函数，研究了整体结构损伤受楼层损伤程度、位置及数量的影响规律，建立了钢框架结构地震损伤演化模型。4、给出了地震动记录和地震强度指标的选取准则，基于IDA方法对钢框架结构地震响应分析所涉及到的关键科学问题进行了探讨，并借助OpenSEES软件平台对不同锈蚀程度下的5层钢框架结构进行了地震易损性分析，得到了一些有益的结论。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1. 绪论  9-19
  1.1 研究背景  9-10
    1.1.1 地震灾害简述  9-10
    1.1.2 钢框架结构在建筑工程中的应用  10
  1.2 研究意义  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-16
    1.3.1 地震损伤模型的研究现状  11-15
    1.3.2 结构地震易损性分析研究综述  15-16
  1.4 本文的研究目标  16-17
  1.5 本文的研究内容  17-18
  1.6 本章小结  18-19
2. 往复荷载作用下钢框架结构楼层损伤研究  19-41
  2.1 计算模型与数值模拟  19-24
    2.1.1 工程概况  19-20
    2.1.2 结构设计信息  20-21
    2.1.3 数值建模理论  21-24
  2.2 构件截面设计参数的损伤敏感度分析  24-29
    2.2.1 框架构件损伤的表征  24-25
    2.2.2 构件敏感度分析  25-29
  2.3 往复荷载作用下的楼层损伤研究  29-39
    2.3.1 楼层损伤的表征  29
    2.3.2 钢框架梁、柱损伤对楼层损伤的影响  29-33
    2.3.3 其他因素对楼层损伤的影响  33-39
    2.3.4 适用于钢框架结构楼层的损伤模型  39
  2.4 本章小结  39-41
3. 地震激励下钢框架结构损伤模型研究  41-54
  3.1 框架结构地震损伤的表征  41-43
    3.1.1 结构整体损伤模型  41-42
    3.1.2 适用于框架结构地震损伤的表征量  42-43
  3.2 框架结构数值模拟  43-44
  3.3 楼层损伤对结构损伤的影响  44-49
    3.3.1 初始损伤的实现  44-45
    3.3.2 模拟分析结果  45-49
  3.4 地震波特性对结构地震损伤的影响  49-52
  3.5 适用于钢框架结构的地震损伤模型  52
  3.6 本章小结  52-54
4.钢框架结构倒塌研究  54-68
  4.1 框架结构有限元建模  54-56
    4.1.1 OpenSEES 软件介绍  54-55
    4.1.2 截面恢复力模型  55
    4.1.3 单元模型  55-56
  4.2 结构地震易损性分析  56-59
    4.2.1 地震动记录的选择  56-57
    4.2.2 地震动强度指标及结构损伤指标  57-58
    4.2.3 极限状态定义  58-59
  4.3 基于 IDA 方法的地震易损性分析基本步骤  59
  4.4 锈蚀率对钢框架结构地震易损性的影响  59-67
    4.4.1 锈蚀率为 0%时钢框架地震易损性分析  59-63
    4.4.2 其他锈蚀率下的钢框架结构地震易损性分析  63-65
    4.4.3 不同锈蚀率下结构地震易损性结果对比分析  65-67
  4.5 本章小结  67-68
5. 结论与展望  68-71
  5.1 结论  68-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
附录  76
  附录一: 研究生期间发表论文情况  76
  附录二: 研究生期间参加的科研项目  76
  附录三: 研究生期间获奖情况  76

钢框架结构的地震损伤与倒塌研究

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