高層建筑結(jié)構(gòu)地震損傷與倒塌分析.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技水平的發(fā)展，近二十年來，我國建造了一批舉世矚目的高層和超高層建筑。作為城市標(biāo)志性建筑的高層建筑具有巨大的社會(huì)影響力，而這些高層建筑幾乎都建設(shè)在地震區(qū)，一旦發(fā)生因喪失功能而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)局部倒塌或整體倒塌，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，給社會(huì)帶來難以估量的負(fù)面影響。因此，深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的損傷演化規(guī)律及倒塌機(jī)制，進(jìn)而進(jìn)一步采取有效的抗倒塌設(shè)計(jì)和措施，對(duì)提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，具有重要的理論意義和工程價(jià)

2、值。
　　本文以高層鋼框架結(jié)構(gòu)、高層鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的損傷演化規(guī)律和破壞倒塌機(jī)制，主要研究工作和創(chuàng)新成果如下：
　?。?）高層建筑結(jié)構(gòu)豎向承重構(gòu)件（鋼柱、鋼筋混凝土剪力墻和鋼筋混凝土柱）地震損傷分析。在考慮Bauschinger效應(yīng)的Krieg&Key本構(gòu)模型（簡(jiǎn)稱K&K模型）基礎(chǔ)上，引入Bonora損傷模型，提出了鋼柱考慮損傷累積效應(yīng)的修正K&K模型，分析表明考慮材料損傷

3、累積效應(yīng)，鋼柱豎向承載力顯著降低，鋼柱損傷在峰值加速度出現(xiàn)時(shí)段內(nèi)發(fā)展迅速，隨地震強(qiáng)度增大而增大；在Sina滯回模型基礎(chǔ)上，引入Fukuzawa算法準(zhǔn)則，提出了鋼筋混凝土剪力墻考慮強(qiáng)度退化和負(fù)剛度效應(yīng)的修正Sina模型，分析表明修正Sina模型可較好地模擬混凝土開裂、鋼筋屈服、強(qiáng)度退化和負(fù)剛度效應(yīng)等重要性能，鋼筋混凝土剪力墻損傷隨加載幅值增加而增大，在加載幅值改變處發(fā)生突變；采用鋼筋混凝土柱精細(xì)化分析模型，建立基于豎向剩余承載力的損傷模型

4、，通過增量動(dòng)力分析（Incremental Dynamic Analysis簡(jiǎn)稱IDA）得到鋼筋混凝土柱的地震響應(yīng)和損傷值，提出了鋼筋混凝土柱基于易損性曲線的地震損傷評(píng)估方法，分析表明該方法可較準(zhǔn)確地評(píng)估其在不同地震作用下的損傷程度。
　?。?）高層鋼框架結(jié)構(gòu)考慮損傷累積效應(yīng)的地震倒塌分析。基于中心差分法的顯式積分格式，通過定義結(jié)構(gòu)的層損傷，將修正的K&K模型應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中，以考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下強(qiáng)度和剛度的退化規(guī)律，針對(duì)結(jié)構(gòu)倒塌破

5、壞的不確定性，提出一種用于高層鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下倒塌全過程模擬的數(shù)值方法，通過編制有限元程序?qū)⒃摲椒ㄓ糜诜治鲆蛔?0層Benchmark鋼框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)、失效極限荷載、失效路徑和倒塌全過程。分析表明該方法考慮材料損傷累積效應(yīng)能更精確確定Benchmark鋼框架結(jié)構(gòu)的失效極限荷載，可在未知結(jié)構(gòu)失效破壞模式前提下，較好地追蹤結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的失效路徑，模擬Benchmark鋼框架結(jié)構(gòu)的倒塌破壞全過程，得到其最終破壞模式，在一定程度上揭

6、示高層鋼框架結(jié)構(gòu)的倒塌破壞機(jī)理。
　?。?）高層鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)基于等效剛度的地震倒塌分析。依據(jù)高層鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在地震作用下的滯回特性，以無損狀態(tài)下的等效剛度作為初始標(biāo)量，考慮結(jié)構(gòu)各層能量分布特性，建立按能量分配的結(jié)構(gòu)層損傷模型，提出了高層鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)基于等效剛度的地震損傷模型，分析表明基于等效剛度的地震損傷模型可較好地評(píng)估高層鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在地震作用后的損傷破壞程度，所建立的考慮損傷累積

7、效應(yīng)、強(qiáng)度退化和負(fù)剛度效應(yīng)的分析模型能較好地模擬高層鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的地震損傷演化規(guī)律和倒塌破壞全過程，即混凝土核心筒先于鋼框架發(fā)生損傷破壞，隨后鋼框架承擔(dān)大部分水平地震力，導(dǎo)致首層框架柱因損傷累積而逐漸喪失其豎向承載力，當(dāng)角柱柱腳發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞。
　?。?）鋼—混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷與失效過程的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)制作了一座3層鋼—混凝土結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了鋼—混凝土結(jié)構(gòu)模型在地震作用下

8、的損傷演化規(guī)律和失效過程，采用基于等效剛度的地震損傷模型對(duì)其進(jìn)行損傷程度評(píng)估，驗(yàn)證了基于等效剛度損傷模型的正確性，分析表明該損傷模型能較好地評(píng)估鋼—混凝土結(jié)構(gòu)模型在地震作用后的剩余剛度和損傷破壞程度。所采用的考慮粘結(jié)滑移效應(yīng)的實(shí)體模型和考慮損傷累積效應(yīng)的纖維模型均能較好地模擬鋼—混凝土結(jié)構(gòu)模型的地震響應(yīng)，前者計(jì)算精度略高于后者，但后者具有較高的計(jì)算效率。所采用的考慮損傷累積效應(yīng)的修正K&K模型和修正Faria模型相結(jié)合的纖維模型能較精確