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既有多高层钢框架抗震鉴定指标体系及分析方法研究

作　者: 王朝波
导　师: 罗永峰
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 鉴定规范体系性能抗震鉴定结构性能水准增量动力分析(IDA)法弹塑性层间位移角限值推覆分析能力曲线
分类号: TU973.13
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着经济建设的快速发展,现有的抗震鉴定规范已经远远不能满足工程的需要,且现有抗震鉴定规范中基本没有涉及既有钢结构建筑的抗震鉴定。因此,目前对钢结构的抗震评定属于空白,难以在工程中起到指导作用。本文针对既有多高层钢结构的抗震鉴定分析方法及其评定指标体系进行了深入的研究。本文首先分别从制定背景、可靠度水平、鉴定层次、评级方法、鉴定对象以及鉴定方法等方面对现行鉴定规范进行了对比分析。目前不论是常规检测鉴定规范,还是抗震鉴定规范,都远远落后于结构设计理论及规范的发展现状,且现行鉴定规范在系统上还未统一,不同规范的编制背景及基础相差很大,编制目标不尽一致,内容互有重复甚至矛盾。根据我国鉴定规范的现状,本文提出了按照现行设计规范体系的构架建立鉴定规范体系,依此对现行鉴定规范进行全面修订,并对定性的二级鉴定方法采用更为精细的性能抗震分析方法进行改进的策略方法。进行了抗震鉴定中结构性能水准的研究,根据我国抗震设计规范以及鉴定工作的特点,本文对多高层钢结构提出了六个抗震性能水准的分级标准,并将上述性能水准分为两个层次:基本性能水准和一般性能水准。通过对所提出的钢结构抗震性能评定水准进行划分,最终形成两层次多水准的综合评定体系,并研究了不同因素对结构变形的影响,初步给出了结构不同破坏状态对应的层间位移限值。关于多高层钢框架防止倒塌的弹塑性层间位移限值,我国开展的研究较少,多是沿袭或参考国外规范的相关规定。本文通过对现有限值的成因、多种震害数据以及国内外最新研究成果等综合比较分析,说明我国现行的多高层钢结构极限变形限值指标依据不足。本文采用增量动力分析（IDA）方法进行了多高层钢框架抗倒塌能力的研究。首先对IDA曲线IM-DM格式的具体参数进行了深入研究,指出传统分析中采用S_a（T₁,5%）形式的IM参数不尽合理,并对其进行了改进;对多高层钢结构弹塑性层问位移角限值进行研究,结果表明用结构上的地震作用变化能够更直接地反映结构自身抗力的变化,因此,本文提出采用V_bmax-θ_max格式曲线表现和显示结构层问位移角变化,并由此确定防止结构倒塌的层间位移角限值。本文构造了两个典型的钢框架结构（五层、十五层）,对弹塑性层问位移角限值应用动力增量法进行了数值研究,结果表明采用V_bmax-θ_max格式来描述IDA曲线是合适的且意义明确。用本文的改进IDA方法对多高层钢框架结构的弹塑性层间位移角限值进行数值研究,得到不同高度钢框架结构抗倒塌能力的一些规律,提出了钢框架结构弹塑性层间位移角限值的合理建议值。对多高层钢结构中性能鉴定分析方法进行了研究。基于性能的结构评价就是既要考虑到结构的共性要求,又要根据不同的个性要求对结构在预计强度地震下的性能进行综合评定。静力推覆分析方法相比较其他分析方法而言,是目前最为实用的基于性能的结构抗震性能评定分析方法。本文基于传统的静力推覆分析方法,提出了多高层钢框架抗震评定分析方法,在考虑多阶振型方面,基于振型参与质量系数对所需考虑的振型数量进行了定量限制;通过单自由度体系外力做功等于多自由度外力做功的原则,将多自由度能力曲线转化为单自由度能力曲线,这一等效转化过程尤其使得高阶模态对应的能力曲线更加合理;给出了目标位移数值求解的建议方法,使得这种分析方法在工程上更为简单易用。最后以一个八层钢框架结构在中震及大震下的性能评定为例,给出钢框架在不同强度地震下抗震性能变化及抗震鉴定评价的完整过程,同时证明了所建议方法的优点。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第1章引言  15-33
  1.1 选题背景和意义  15-17
  1.2 国内抗震鉴定发展及现状  17-21
  1.3 国外抗震鉴定研究进展  21-26
    1.3.1 基于性能的结构抗震鉴定思想的提出背景  21-22
    1.3.2 美国关于基于性能的结构抗震鉴定的研究现状  22-24
    1.3.3 日本关于既有结构性能鉴定的研究现状  24-26
  1.4 多高层框架结构分析方法研究现状  26-29
    1.4.1 动力分析方法  26-27
    1.4.2 基于性能的结构抗震分析方法  27-29
  1.5 钢框架结构抗震鉴定指标研究现状  29-31
  1.6 本文的研究思路及工作内容  31-33
第2章既有结构抗震鉴定体系的研究  33-55
  2.1 我国现行鉴定规范比较研究  33-41
    2.1.1 现行常规鉴定规范比较  33-36
    2.1.2 现行抗震鉴定规范比较  36-39
    2.1.3 现行设计规范体系和鉴定规范体系的对比  39-41
  2.2 本文提出的鉴定规范体系框架  41-48
    2.2.1 结构鉴定工作的特点  41
    2.2.2 结构鉴定规范体系框架的构成  41-42
    2.2.3 结构鉴定规范体系中可靠度的确定方法  42-47
    2.2.4 抗震鉴定标准的修订建议  47-48
  2.3 基于性能抗震理论的基本概念和理论  48-54
    2.3.1 设防水准  50
    2.3.2 结构性能目标  50-52
    2.3.3 本文对性能抗震理论的延伸  52-54
  2.4 小结  54-55
第3章钢框架抗震鉴定性能水准及指标  55-76
  3.1 概述  55-56
  3.2 国内外结构抗震性能水准分类  56-59
    3.2.1 美国FEMA系列的性能水准  56-58
    3.2.2 国内抗震设计规范中的性能水准  58-59
  3.3 多高层钢结构的抗震性能水准  59-61
  3.4 抗震鉴定性能指标的量化  61-68
    3.4.1 性能目标的量化形式  62-65
    3.4.2 不同类型构件对变形破坏指标的影响  65-66
    3.4.3 基于层间位移鉴定指标的建议值  66-68
  3.5 防止倒塌性能水准的层间位移限值  68-75
    3.5.1 我国设计规范的限值规定  68-69
    3.5.2 震害中的钢结构变形统计  69-70
    3.5.3 FEMA-351中最大弹塑性位移限值的规定  70-74
    3.5.4 《建筑工程抗震性态设计通则》中的规定  74-75
  3.6 小结  75-76
第4章多高层钢框架结构弹塑性层间位移限值  76-113
  4.1 增量动力分析(IDA)理论  77-85
    4.1.1 增量动力分析(IDA)方法  77-80
    4.1.2 IDA方法和PUSHOVER方法的对比  80
    4.1.3 IDA方法的应用  80-81
    4.1.4 本文IDA方法中IM参数的确定  81-85
  4.2 结构弹塑性动力时程分析模型  85-92
    4.2.1 地震波的选择  85-86
    4.2.2 平面框架体系分析模型及滞回模型  86-90
    4.2.3 阻尼矩阵  90-92
  4.3 多高层钢框架弹塑性层间位移限值的IDA分析  92-95
    4.3.1 结构设计及计算原则  92-93
    4.3.2 地震时程记录选用  93-95
  4.4 五层钢框架的IDA分析结果  95-103
  4.5 十五层钢框架的IDA分析结果  103-111
  4.6 本章小结  111-113
第5章钢框架抗震鉴定的分析方法  113-134
  5.1 引言  113-114
  5.2 设计规范中的工程抗震分析方法  114-121
    5.2.1 底部剪力法  114-116
    5.2.2 振型分解反应谱法  116-117
    5.2.3 时程分析法  117-119
    5.2.4 静力弹塑性分析  119-121
  5.3 我国现行抗震鉴定规范中的计算方法  121-122
  5.4 弹塑性静力推覆(pushover)分析的不同方法  122-132
    5.4.1 ATC40的能力谱法  122-125
    5.4.2 FEMA273的位移系数法  125-126
    5.4.3 弹塑性反应谱的能力谱法  126-129
    5.4.4 等效单自由度体系弹塑性时程分析法  129
    5.4.5 静动力综合法  129
    5.4.6 自适应pushover分析方法  129-131
    5.4.7 模态pushover分析方法  131-132
    5.4.8 对不同静力推覆分析方法的评述  132
  5.5 小结  132-134
第6章多高层钢结构基于性能的抗震评定方法  134-152
  6.1 基于性能的弹塑性分析方法及其工程要求  134-137
  6.2 本文提出的多高层钢框架抗震评定分析方法  137-143
    6.2.1 关于多阶振型的影响  137-138
    6.2.2 高阶模态能力曲线的能量化表示方法  138-139
    6.2.3 等效双折线能力曲线的数值求解  139-140
    6.2.4 目标位移的数值求解  140-142
    6.2.5 多高层钢框架抗震评定分析方法的流程  142-143
  6.3 多层钢框架基于性能的抗震评定算例  143-150
  6.4 小结  150-152
第7章结论与展望  152-158
  7.1 本文主要工作和研究结论  152-156
  7.2 需进一步研究的问题及展望  156-158
参考文献  158-167
致谢  167-168
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  168-169

既有多高层钢框架抗震鉴定指标体系及分析方法研究

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