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钢筋混凝土框架结构倒塌失效模式、风险与鲁棒性分析

作　者: 陈志恒
导　师: 吕大刚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 侧向增量倒塌竖向连续倒塌失效模式倒塌风险鲁棒性构件移除 Pushdown分析竖向IDA
分类号: TU375.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要

进行结构设计的主要目标之一就是要保证在地震或其它偶然荷载作用下,结构不倒塌(至少不立即倒塌),留出充裕的逃生时间,最大限度地保障人们的生命和财产安全。针对地震作用,现有抗震规范提供了大震不倒的设计要求和分析方法,但据此只能得到定性结论而非定量指标,无法评价结构抗倒塌的极限能力。针对其它偶然荷载,我国很多建筑设计规范已经注意到了结构鲁棒性对提高结构抗连续倒塌能力的重要性,但都没给出具体的要求和方法,缺乏指导性和可操作性。本文以OpenSEES作为分析平台,引进当前国外规范的分析方法,对基于我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构进行侧向增量倒塌和竖向连续倒塌分析,定量地评估结构的抗倒塌能力。在侧向增量倒塌分析时,同时采用POA和IDA方法。首先根据可靠度理论预测结构各种倒塌失效模式的出现概率,并给出各失效模式随强柱弱梁系数COF的变化趋势。随后,以超强系数和延性系数为目标参数,采用Pushover分析(POA)方法研究结构在不同侧向力分布形式、不同梁柱线刚比和不同COF情况下结构的抗倒塌能力。继而,以易损性(条件倒塌概率)和危险性(年平均倒塌概率)为评价指标,采用增量动力分析(IDA)方法分析结构抵抗侧向增量倒塌的能力,并给出主要的几种倒塌失效模式。最后,对结构地震倒塌风险概率的点估计值进行评估。在IDA方法中,考虑了实时移除和不移除构件两种工况。在竖向连续倒塌分析中,同时采用非线性动力分析(NDA)、Pushdown分析(PDA)和竖向IDA方法。首先通过非线性动力分析方法,考虑失效构件所在位置、失效时长等因素,直观地查看结构在某以构件失效后相邻区域的反应情况。然后,采用Pushdown方法推求结构的抵抗连续倒塌极限能力,并对动力放大系数进行分析。继而,提出了竖向IDA方法,对失效构件之上、之下的剩余部分分别进行架越能力和抗冲击的极限能力分析。最后,借助冗余度指标定量地给出结构鲁棒性的大小。通过本文的分析可以得出结论:按现行规范设计的钢筋混凝土框架结构的年平均地震倒塌概率为3.2×10?4。在各层内柱失效后,结构不会发生连续倒塌;当底层柱失效时,结构的鲁棒性大小为1.32;因此,当仅考虑一个单元失效时,按现行规范设计的结构具有足够的抗连续倒塌能力。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-29
  1.1 课题来源、背景及研究意义  11-15
    1.1.1 课题来源  11
    1.1.2 课题背景一  11-13
    1.1.3 课题背景二  13-15
    1.1.4 研究意义  15
  1.2 侧向增量倒塌与竖向连续倒塌的区别与联系  15-16
  1.3 建筑结构侧向增量倒塌研究现状  16-20
    1.3.1 国外研究现状  17-19
    1.3.2 国内研究现状  19-20
  1.4 建筑结构竖向连续倒塌(鲁棒性)研究现状  20-27
    1.4.1 各国关于连续倒塌和鲁棒性的规范介绍  21-23
    1.4.2 基于试验的连续倒塌与鲁棒性分析  23-24
    1.4.3 基于数值模拟的连续倒塌与鲁棒性分析  24-27
  1.5 本文主要研究内容  27-29
第2章结构倒塌分析与抗连续倒塌设计的基本理论与方法  29-54
  2.1 引言  29
  2.2 结构侧向增量倒塌分析的基本理论与方法  29-35
    2.2.1 侧向增量倒塌的定义  29-30
    2.2.2 单地震动记录IDA 方法  30-33
    2.2.3 多地震动记录IDA 方法  33-34
    2.2.4 IDA 方法在PBEE 框架中的应用  34-35
  2.3 结构竖向连续倒塌分析的基本理论与方法  35-48
    2.3.1 竖向连续倒塌的定义  35-37
    2.3.2 结构抗竖向连续倒塌设计方法概述  37-39
    2.3.3 结构抗竖向连续倒塌设计方法的基本思路  39-40
    2.3.4 间接设计方法  40-42
    2.3.5 直接设计方法  42-48
  2.4 构件的失效时长对结构动力反应的影响  48-53
    2.4.1 单自由度体系  48-51
    2.4.2 多自由度体系  51-53
  2.5 本章小结  53-54
第3章钢筋混凝土框架结构的设计及有限元建模  54-65
  3.1 引言  54
  3.2 结构设计  54-55
  3.3 结构的有限元建模  55-64
    3.3.1 分析平台  55-56
    3.3.2 材料参数  56-61
    3.3.3 截面与单元  61-64
  3.4 本章小结  64-65
第4章框架结构的侧向增量倒塌失效模式与风险分析  65-99
  4.1 引言  65
  4.2 倒塌准则的定义  65-67
    4.2.1 截面层次  65
    4.2.2 构件层次  65-66
    4.2.3 结构体系层次  66
    4.2.4 截面、构件、结构极限能力之间的关系  66-67
    4.2.5 本章所用的极限准则  67
  4.3 采用可靠度理论分析结构倒塌最可能失效模式  67-75
    4.3.1 各种失效模式及其功能函数的定义  68-71
    4.3.2 分析方法  71-72
    4.3.3 算例分析  72-75
  4.4 基于POA 的侧向增量倒塌分析  75-81
    4.4.1 考虑不同侧向力分布形式的影响  76-78
    4.4.2 梁柱线刚比对结构能力的影响  78
    4.4.3 强柱弱梁系数COF 对结构能力的影响  78-81
  4.5 基于IDA 的侧向增量倒塌分析  81-88
    4.5.1 地震动的选取  81-83
    4.5.2 IDA 倒塌分析结果  83-87
    4.5.3 结构倒塌失效模式  87-88
  4.6 基于IDA 并考虑实时移除单元的侧向增量倒塌分析  88-91
    4.6.1 基本方法  88-89
    4.6.2 分析结果  89-91
  4.7 结构地震倒塌易损性分析  91-93
    4.7.1 基本理论  92
    4.7.2 结构的地震倒塌易损性曲线  92-93
  4.8 结构地震倒塌危险性分析  93-97
    4.8.1 场地危险性分析  94-95
    4.8.2 结构地震倒塌危险性分析  95-97
  4.9 结构地震倒塌风险分析  97
  4.10 本章小结  97-99
第5章框架结构的竖向连续倒塌失效模式与鲁棒性分析  99-131
  5.1 引言  99
  5.2 竖向动力非线性分析（标准分析）  99-112
    5.2.1 移除底层内柱  100-108
    5.2.2 移除不同楼层内柱  108-109
    5.2.3 移除同一轴线上所有柱  109-110
    5.2.4 考虑失效时长的影响  110-112
  5.3 静力Pushdown 分析  112-119
    5.3.1 考虑构件失效时长的影响  112-116
    5.3.2 考虑构件失效时刻的影响  116-118
    5.3.3 考虑非受损跨动力效应的影响  118-119
  5.4 竖向IDA 分析  119-124
    5.4.1 失效构件之上结构的IDA 分析  120-123
    5.4.2 失效构件之下结构的IDA 分析  123-124
  5.5 动力荷载系数分析  124-127
  5.6 鲁棒性定量分析  127-129
    5.6.1 鲁棒性指标  127-128
    5.6.2 结构鲁棒性定量化分析  128-129
  5.7 本章小结  129-131
结论与展望  131-134
参考文献  134-145
致谢  145

钢筋混凝土框架结构倒塌失效模式、风险与鲁棒性分析

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