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钢筋混凝土框架结构的概率抗震性能评定与设计

作　者: 董涛
导　师: 吕大刚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 需求能力系数法概率地震需求分析概率抗震能力分析性能评定性能设计
分类号: TU375.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 93次
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内容摘要

随着基于性能的地震工程理论逐渐被地震工程界认知,对其的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目标为依据,以结构性能分析为基础进行结构抗震设计和评定,要求结构在未来地震作用下具有可预见的抗震性能。基于性能的地震工程理论在我国还处于起步阶段,开展这方面的研究对工程结构的设计和评定具有重大的意义。需求能力系数法(DCFM)是第二代基于性能地震工程的性能评定(DCFE)和设计(DCFD)方法。需求能力系数法以考虑地震需求分析和结构抗震能力分析过程中的不确定性为出发点,通过全概率的理论推导得到了衡量结构性能水准的性能指标——能力需求比和置信概率。本文依托一按现行抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构,采用需求能力系数设计法(DCFM),对其“三水准”性能进行评定(DCFE)和设计(DCFD)。基于需求能力系数法的性能评定主要分为两部分:需求分析和能力分析。需求分析包括需求中位值分析和需求系数分析。需求分析采用对数正态需求模型,以谱加速度为地震动强度参数,以最大层间位移角为需求参数,采用基于蒙特卡罗模拟的弹塑性时程分析方法进行分析计算。分析过程考虑结构和地震动随机性,采用拉丁超立方抽样,组成结构—地震动随机抽样样本。对结果进行统计分析,得到对应于三个设防水准的地震需求,即需求中位值和随机性需求对数标准差。根据分析过程中地震动的谱加速度调幅范围采用一次条带法、二次条带法、云图法、调幅云图法、多条带法方法和增量动力分析法等六种方法分别进行需求分析,并对统计结果进行分析比较。对需求分析不确定性的考虑主要来自于结构阻尼、自振周期、分析方法等。能力分析同样包括能力中位值分析和能力系数分析。采用对数正态能力模型,选择最大层间位移角作为能力参数。能力分析方法采用随机Pushover分析方法和随机IDA分析方法。二者均是将随机函数统计矩分析方法与传统的确定性Pushover分析和IDA分析相结合,在分析过程中对结构和地震动随机性通过蒙特卡罗模拟加以考虑。能力不确定性主要来自于分析过程,不同的分析过程所引入的不确定性不尽相同。“三水准”中的“小震”和“中震”采用随机Pushover分析方法,“大震”采用随机IDA分析方法,对分析结果进行统计得到对应于“三水准”的能力中位值和随机性能力对数标准差。需求能力系数法性能评定的目标是计算能力需求比和置信概率两个性能指标。能力需求比能够直观的表征结构抗震安全性大小,而置信概率能够从可靠度的角度衡量该性能水准下结构满足既定性能目标的概率。本文采用现有性能设计方法和需求能力系数法相结合提出了采用DCFM进行设计的方法。(1)给出了基于DCFE性能评定的设计法的设计步骤,即采用“设计—评定—设计”的原则,并提出了基于性能评定的三阶段需求能力系数设计方法。该方法采用对按规范设计的结构进行需求分析,并据此进行基于DCFD的三阶段性能设计,给出了对应于各性能水准的基底剪力。(2)采用直接基于位移的设计法和DCFD相结合,提出了直接基于位移的需求能力系数设计法。首先将原结构等效为一单自由度体系,分别构造弹塑性位移谱和高阻尼弹性位移谱,以此作为需求中位值并据此采用DCFD计算等效体系相应于各性能水准的能力中位值及设计基底剪力。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-24
  1.1 课题背景及研究意义  12-14
    1.1.1 课题来源  12
    1.1.2 课题背景  12-13
    1.1.3 研究意义  13-14
  1.2 基于性能的抗震设计研究进展  14-17
    1.2.1 结构的地震设防水准  15-16
    1.2.2 性能水准的划分及性能目标的建立  16-17
  1.3 抗震性能评定方法的研究现状  17-20
    1.3.1 经验评估法  17
    1.3.2 振动测量评估法  17-18
    1.3.3 规范校核法  18
    1.3.4 基于神经网络理论的两级抗震性能鉴定法  18
    1.3.5 基于专家系统的抗震性能鉴定法  18
    1.3.6 以地震影响系数为指标的反应谱法  18-19
    1.3.7 能量法  19
    1.3.8 静力弹塑性分析法  19-20
  1.4 需求能力系数法的研究进展  20-22
  1.5 本文主要研究内容  22-24
    1.5.1 钢筋混凝土框架结构的建模与非线性分析  22
    1.5.2 钢筋混凝土框架结构的概率地震需求分析  22
    1.5.3 钢筋混凝土框架结构的概率抗震能力分析  22
    1.5.4 钢筋混凝土框架结构的概率抗震性能评定  22-23
    1.5.5 钢筋混凝土框架结构的概率抗震性能设计  23-24
第2章结构概率抗震性能评定与设计的需求能力系数法  24-44
  2.1 引言  24
  2.2 工程结构中的不确定性  24
  2.3 极限状态概率理论框架  24-37
    2.3.1 结构极限状态  24-25
    2.3.2 结构需求变量  25
    2.3.3 结构能力变量  25
    2.3.4 极限状态概率  25
    2.3.5 地震动强度  25
    2.3.6 考虑随机性的极限状态概率  25-32
    2.3.7 同时考虑随机性和不确定性的极限状态平均超越概率  32-37
  2.4 需求能力系数法的表达形式  37-43
    2.4.1 考虑随机性的DCFM表达形式  37-39
    2.4.2 同时考虑随机性和不确定性的DCFM表达形式  39-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章钢筋混凝土框架结构的建模与非线性分析  44-60
  3.1 引言  44
  3.2 钢筋混凝土框架结构的设计  44-46
  3.3 OpenSEES简介  46-47
  3.4 钢筋混凝土框架结构的OpenSEES建模  47-52
    3.4.1 结构模型  47
    3.4.2 单元模型  47-48
    3.4.3 截面模型  48-49
    3.4.4 材料本构模型  49-52
  3.5 基于OpenSEES的钢筋混凝土框架结构非线性分析  52-59
    3.5.1 弹塑性动力时程分析  52-54
    3.5.2 静力弹塑性分析(Pushover)  54-56
    3.5.3 增量动力分析(IDA)  56-59
  3.6 本章小结  59-60
第4章钢筋混凝土框架结构的概率地震需求分析  60-92
  4.1 引言  60
  4.2 地震动强度参数及地震动的选取  60-63
    4.2.1 地震动强度参数的选取  60-61
    4.2.2 地震动的选取原则  61-63
    4.2.3 地震动的调整  63
  4.3 结构需求参数的选取  63-64
  4.4 地震危险性分析  64-68
    4.4.1 地震危险性分析的基本假设  64
    4.4.2 地震危险性法分析方法的步骤  64-65
    4.4.3 地震危险性概率模型  65-66
    4.4.4 地震动参数的确定  66-67
    4.4.5 算例分析  67-68
  4.5 基于拉丁超立方抽样的蒙特卡罗模拟  68-72
    4.5.1 拉丁超立方(LHS)抽样原理简介  68-69
    4.5.2 地震动—结构随机抽样  69-72
  4.6 窄带法地震需求分析  72-87
    4.6.1 一次条带法  72-76
    4.6.2 二次条带法  76-81
    4.6.3 云图法  81-83
    4.6.4 调幅云图法  83-87
  4.7 宽带法地震需求分析  87-91
    4.7.1 多条带法分析(MSA)  88-89
    4.7.2 增量动力分析方法(IDA)  89-91
  4.8 本章小结  91-92
第5章钢筋混凝土框架结构的概率抗震能力分析  92-104
  5.1 引言  92
  5.2 结构整体抗震能力分析方法  92-95
    5.2.1 基于蒙特卡罗模拟的随机Pushover分析  92-94
    5.2.2 基于蒙特卡罗模拟的随机IDA分析  94-95
  5.3 “小震不坏”性能水准的结构整体抗震能力分析  95-97
  5.4 “中震可修”性能水准的结构整体抗震能力分析  97-99
  5.5 “大震不倒”性能水准的结构整体抗震能力分析  99-102
  5.6 本章小结  102-104
第6章钢筋混凝土框架结构的概率抗震性能评定  104-122
  6.1 引言  104
  6.2 DCFE性能评定方法  104-105
  6.3 分析过程中的随机性和不确定性分析  105-117
    6.3.1 需求系数分析  105-116
    6.3.2 能力系数分析  116-117
  6.4 结构性能评定  117-121
    6.4.1 总体不确定性分析  117-118
    6.4.2 能力需求比计算  118-119
    6.4.3 置信系数和置信水平计算  119-121
  6.5 本章小结  121-122
第7章钢筋混凝土框架结构的概率抗震性能设计  122-145
  7.1 引言  122
  7.2 基于性能评定的三阶段需求能力系数设计法  122-130
    7.2.1 基本原理  124-125
    7.2.2 设计步骤  125-126
    7.2.3 算例分析  126-130
  7.3 直接基于位移的需求能力系数设计法  130-141
    7.3.1 基本原理  130-132
    7.3.2 弹塑性位移谱  132-134
    7.3.3 高阻尼弹性位移谱  134-136
    7.3.4 设计步骤  136
    7.3.5 弹塑性位移反应谱算例分析  136-139
    7.3.6 高阻尼弹性位移谱算例分析  139-141
  7.4 三种设计方法的对比分析  141-143
  7.5 本章小结  143-145
结论与展望  145-147
参考文献  147-151
附录  151-157
致谢  157

钢筋混凝土框架结构的概率抗震性能评定与设计

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