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考虑土—结构相互作用的钢筋混凝土框架结构地震倒塌破坏仿真分析

作　者: 袁景
导　师: 刘海卿
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 岩土工程
关键词: 钢筋混凝土土-结构动力相互作用框架结构地震倒塌破坏仿真分析
分类号: TU375.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钢筋混凝土框架结构的抗震研究大多采用刚性地基假定，没有充分考虑土层对地震波的过滤和放大效应，同时对上部结构的地震反应分析主要集中在弹塑性变形阶段，真正实现对结构发生破坏以后的研究较少，因此进行考虑土-结构相互作用的钢筋混凝土框架结构倒塌破坏分析和研究具有一定的重要性和实际意义。本文通过对大量相关文献的概括总结，评述了国内外对钢筋混凝土框架结构倒塌研究的现状与发展水平，对结构地震反应分析的数值方法进行归纳总结，基于结构抗震理论确定了动力相互作用体系的分析模型。在研究土体材料和钢筋混凝土材料本构模型的基础上，确定适合土-结构动力相互作用体系地震倒塌分析的材料本构模型，特别是在钢筋混凝土材料模型中引入损伤破坏限值，利用LS-DYNA软件中的Mat_Concrete_Damage材料模型及Erosion算法，以综合考虑混凝土材料的损伤软化、应变率效应、断裂失效等多种特性，模拟钢筋混凝土材料在地震作用下的破坏情况。通过阅读大量文献，确定出适合于倒塌破坏研究的各种材料模型参数。建立土-结构动力相互作用体系的有限元分析方案。通过合理的选取单元，输入地震动参数及考虑重力等因素的影响，建立了刚性地基及考虑土-结构动力相互作用的钢筋混凝土框架结构三维动力有限元分析模型。利用仿真程序模拟得到的裂缝分布及破坏过程与振动台试验的结果十分吻合，证明用LS-DYNA软件对钢筋混凝土框架结构进行倒塌破坏研究是可行的。通过对刚性地基条件与考虑土-结构相互作用两种情况下框架结构从变形、开裂直至最终倒塌的全过程进行对比分析，得出如下主要结论：（1）刚性地基条件下五层、十层、十五层框架结构的各个楼层加速度峰值在不同刚度条件下沿高度的变化趋势大致相同。顶层加速度峰值随结构刚度的增大而增大，结构的层数越多，顶层加速度峰值相对地面的放大系数越大；（2）刚性地基条件下结构首个破坏点出现的时间随刚度的增大有所延迟。在相同刚度条件下，层数越多结构破坏越快。五层框架结构的初始破坏点均出现在底层边框架的梁底柱边，十层和十五层框架结构的首个破坏点则出现在结构的上部楼层，这主要是由于结构高振型的影响；（3）土-结构动力相互作用体系的自振频率低于刚性地基时结构的自振频率，且硬土地基时体系的自振频率高于软土地基。相对于刚性地基条件，水平加速度峰值沿楼层的变化更加均匀，加速度峰值在大多数楼层有所折减，但在十层和十五层框架结构中个别楼层也出现了折减系数大于1的情况，因而刚性地基假定下结构的抗震设计并不一定安全；（4）土-结构相互作用体系相比刚性地基出现破坏点的时间有所延迟，同时硬土地基条件下的多数结构破坏点出现的时间早于软土地基，说明软土地基时相互作用的效果比较明显。上部结构的初始破坏位置均出现在框架底层的梁底柱边，与刚性地基的情况不完全一致。裂缝情况与刚性地基时相比发展的要少一些，同时体系在输入地震波后，发生了整体沉降的现象，在软土地基条件下沉降更为严重；（5）在地震作用下所有模型结构的各层梁柱交替发生破坏，属于混合倒塌机制。下部楼层破坏较为严重，这主要是由于下部结构承受了相对较大的重力荷载。同时随着刚度的增大，结构底部的破坏范围向上层逐渐扩大。这是因为强震作用下刚度较小的结构下部楼层发生破坏的时刻较早，而结构下部的破坏消耗了一部分地震能，减缓了地震对上部结构的作用。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-14
1 绪论  14-29
  1.1 课题背景及意义  14-15
  1.2 钢筋混凝土框架结构倒塌破坏研究现状  15-22
    1.2.1 结构地震响应分析理论研究  15-18
    1.2.2 地震作用下结构倒塌的试验研究  18-20
    1.2.3 地震作用下结构倒塌的判断准则研究  20-22
  1.3 结构地震反应的数值分析方法  22-26
    1.3.1 有限差分法  22
    1.3.2 加权残量法和变分法  22-23
    1.3.3 隐式有限单元法  23-24
    1.3.4 显式有限单元方法  24-25
    1.3.5 离散单元法  25-26
  1.4 钢筋混凝土框架结构倒塌分析中存在的问题  26-27
  1.5 本文研究内容  27-29
2 土-结构相互作用的理论基础  29-44
  2.1 引言  29
  2.2 土-结构相互作用的含义  29-31
  2.3 土-结构相互作用的分析模型  31-33
    2.3.1 上部结构分析模型  31-32
    2.3.2 土体结构简化模型  32-33
  2.4 土-结构相互作用的研究阶段  33-35
  2.5 土-结构相互作用的研究方法  35-42
    2.5.1 土-结构相互作用的理论研究  36-40
    2.5.2 土-结构相互作用的试验研究  40-42
  2.6 本章小结  42-44
3 土体和上部结构的动力本构模型  44-61
  3.1 引言  44
  3.2 土的动本构关系研究  44-51
    3.2.1 土的动应力应变关系的基本特征  44-46
    3.2.2 土的动本构关系模型  46-51
  3.3 钢筋混凝土材料的动本构关系研究  51-60
    3.3.1 钢筋混凝土动本构模型  51-55
    3.3.2 Mat_Concrete_Damage 模型  55-60
  3.4 本章小结  60-61
4 显式有限元理论及数值模拟关键问题研究  61-82
  4.1 引言  61
  4.2 显式有限元法分析步骤  61-63
  4.3 动力方程的建立及求解  63-65
  4.4 LS-DYNA 程序简介  65-69
    4.4.1 控制方程  65-67
    4.4.2 有限元空间离散化  67-69
  4.5 数值模拟的关键技术问题  69-78
    4.5.1 钢筋混凝土的建模  70-73
    4.5.2 地震波的选择和调整  73-75
    4.5.3 混凝土断裂的模拟  75
    4.5.4 土体边界的处理  75-76
    4.5.5 接触控制  76-77
    4.5.6 网格划分  77-78
    4.5.7 临界步长  78
  4.6 仿真程序的试验验证  78-81
    4.6.1 仿真模型的建立  78-79
    4.6.2 仿真分析结果的对比  79-81
  4.7 本章小结  81-82
5 刚性地基条件下框架结构倒塌破坏研究  82-106
  5.1 引言  82
  5.2 框架结构三维动力有限元模型及基本参数  82-84
  5.3 刚性地基条件下框架结构倒塌破坏过程分析  84-99
    5.3.1 五层框架结构倒塌破坏过程描述  84-89
    5.3.2 十层框架结构倒塌破坏过程描述  89-94
    5.3.3 十五层框架结构倒塌破坏过程描述  94-99
  5.4 框架结构动力反应及倒塌现象对比分析  99-105
    5.4.1 框架结构自振频率对比分析  99-100
    5.4.2 框架结构楼层加速度峰值对比分析  100-102
    5.4.3 框架结构倒塌破坏状态对比分析  102-105
  5.5 本章小结  105-106
6 土-结构相互作用条件下框架结构倒塌破坏研究  106-147
  6.1 引言  106
  6.2 土-结构相互作用体系三维动力有限元模型及相关参数  106-108
  6.3 硬土地基条件下框架结构倒塌破坏过程分析  108-123
    6.3.1 五层框架结构倒塌破坏过程描述  108-113
    6.3.2 十层框架结构倒塌破坏过程描述  113-118
    6.3.3 十五层框架结构倒塌破坏过程描述  118-123
  6.4 软土地基条件下框架结构倒塌破坏过程分析  123-138
    6.4.1 五层框架结构倒塌破坏过程描述  123-128
    6.4.2 十层框架结构倒塌破坏过程描述  128-133
    6.4.3 十五层框架结构倒塌破坏过程描述  133-138
  6.5 土-结构相互作用体系动力反应及倒塌现象对比分析  138-145
    6.5.1 体系自振频率对比分析  138-140
    6.5.2 上部结构楼层加速度峰值对比分析  140-144
    6.5.3 上部结构倒塌破坏状态对比分析  144-145
  6.6 本章小结  145-147
7 结论与展望  147-150
  7.1 主要结论  147-148
  7.2 展望  148-150
参考文献  150-158
作者简历  158-161
学位论文数据集  161

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