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塑性铰长度对平面框架滞回耗能计算影响分析

作　者: 边江
导　师: 肖明葵
学　校: 重庆大学
专　业: 防灾减灾及防护工程
关键词: 塑性铰长度滞回耗能弹塑性分析框架结构
分类号: TU313
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

基于位移的抗震设计非常重视建筑结构在强烈地面运动作用下的最大位移反应,需要结构具有足够的延性。而为了保证结构的弹塑性变形能力,我国抗震规范规定按照不同的抗震等级对梁和柱进行加固(如对结构构件端部的箍筋加密等)。但经研究发现规范用层间位移角达到或超过2%的限值来判断结构整体失效的标准并不能反应地面运动持续时间引起结构累积破坏的影响。而基于能量概念设计方法能够很好的反映结构地震动的持时、强度和频谱特性。尤其能够反应强震持续时间对结构的累积损伤破坏的影响。其概念十分明确、形式又非常简单。因此,基于能量概念设计方法越来越受到国内外地震工程研究界的重视。为了减小柱发生破坏的可能性,降低结构发生整体倒塌的概率,人们通常采取强柱弱梁的结构抗震设计,使梁端先于柱端出铰,以滞回耗能的形式耗散掉地震波输入给结构的总能量。然而,人们往往把塑性铰看作一个截面,忽视了塑性铰长度对结构能量耗散的影响。因为考虑塑性铰长度与不考虑塑性铰长度计算出的滞回耗能有可能不同,所以对同一个结构而言,考虑塑性铰长度与不考虑塑性铰长度得出的结论可能相差甚远。因此,了解塑性铰长度对结构的滞回耗能影响是非常有必要的。本文主要从位移和滞回耗能两个方面对两种情况作了对比研究。研究内容主要做了如下工作:①本文按照中国抗震规范8度设防烈度设计了7个3跨框架结构,分别为4层、5层、7层、9层、11层、13层和15层,采用大型商业有限元软件ABAQUS分别对以上7个平面框架进行建模和弹塑性分析,求出相应的能量和位移的地震反应和相应的时程曲线。而且采用的恢复力模型与以往的不同,不是将梁柱看做一个单元的构件恢复力模型,将质量全部集中在梁或柱的两端,而是从结构材料的本构关系出发,采用材料恢复力模型,将梁柱进行划分为若干单元,采用一致质量矩阵和刚度矩阵,这样就可以避免由于过多的假设所导致误差增加。②在综合考虑地震动因素和结构自身动力特性的情况下,分析不考虑塑性铰长度和考虑三种不同的塑性铰长度模型时平面框架结构总输入能及总输入能分配的变化规律,重点求出由于不考虑塑性铰长度与考虑不同塑性铰长度时对计算总输入能及总输入能的耗散所带来的差异,初步定性和定量地得出了这些差异的规律。③采用不考虑塑性铰长度和考虑塑性铰长度模型,在综合考虑地震动因素和结构自身动力特性情况下,平面框架结构在梁柱之间滞回耗能的分配规律,求出由于选取不同的塑性铰长度模型对计算梁柱的滞回耗能在总滞回耗能的比例所带来的差异,初步定性和定量地得出了这些差异的规律。④过去对塑性铰长度的研究是基于试验的构件层面的研究,并没有从结构整体方面去考虑塑性铰长度的影响。本文与以往从构件的层面出发对塑性铰进行分析研究不同,从结构整体角度出发,在地震动作用下分别计算不考虑塑性铰长度、考虑选取的塑性铰长度模型和梁实际塑性铰长度三种情况对单根梁滞回耗能的差异影响。⑤通过以上研究分析给出适合用于平面框架结构滞回耗能量反应分析的塑性铰长度模型的建议。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-22
  1.1 引言  10-15
    1.1.1 抗震设计发展的阶段  10-12
    1.1.2 我国目前的抗震设计思想  12-13
    1.1.3 基于位移的结构抗震性能评估和分析方法  13-14
    1.1.4 位移单一指标评估结构性能的不足及补充能量分析的重要性  14-15
  1.2 抗震结构能量反应分析理论及方法  15-20
    1.2.1 国内外研究综述  15-18
    1.2.2 目前存在的问题  18-19
    1.2.3 本文研究的目的和意义  19-20
  1.3 本文研究的内容  20-22
2 塑性铰理论及塑性铰长度模型  22-28
  2.1 引言  22-23
  2.2 塑性铰破坏机制  23-24
  2.3 塑性铰长度模型  24-26
  2.4 各种塑性铰长度模型在本文结构抗震分析中的选取  26-27
  2.5 本章小结  27-28
3 基于 ABAQUS 有限元软件的抗震框架非线性地震反应分析  28-46
  3.1 引言  28-29
    3.1.1 ABAQUS 软件介绍  28
    3.1.2 ABAQUS 在动力弹塑性分析中的应用  28-29
  3.2 ABAQUS 提供的弹塑性损伤本构模型  29-31
    3.2.1 弹塑性损伤模型的功能  29-30
    3.2.2 混凝土模型中加入钢筋  30
    3.2.3 混凝土模型屈服条件  30
    3.2.4 混凝土模型流动法则  30-31
    3.2.5 混凝土模型混凝土刚度恢复  31
  3.3 体系动力响应求解方法  31-32
    3.3.1 振型分解法  31
    3.3.2 直接积分法  31-32
    3.3.3 基于ABAQUS 有限元软件的隐式直接积分方法[52 ]  32
  3.4 算例PKPM 建模与配筋  32-35
  3.5 ABAQUS 中结构建模  35-45
    3.5.1 模型材料的定义  35-37
    3.5.2 单元的选择  37-38
    3.5.3 加入钢筋  38
    3.5.4 构件出铰分析性能（通过截面屈服转角和等效塑性应变判断出铰）  38-40
    3.5.5 钢筋混凝土梁的延性  40-43
    3.5.6 计算模型  43-44
    3.5.7 恢复力模型  44-45
  3.6 本章小结  45-46
4 抗震结构能量反应分析  46-58
  4.1 能量反应的两种定义  46-47
  4.2 多自由度结构的能量反应方程及求解  47-49
  4.3 影响抗震结构能量反应的因素分析  49-54
    4.3.1 地面运动参数及地面运动的分类  49-50
    4.3.2 地震动频谱特性  50-51
    4.3.3 地震动振幅  51-52
    4.3.4 地震动持时  52-53
    4.3.5 地面运动的分类  53-54
  4.4 输入地震波的选择  54-56
  4.5 本章小结  56-58
5 塑性铰长度对结构滞回耗能量计算的影响  58-92
  5.1 塑性铰长度对计算不同动力特性结构滞回耗能量的影响  58-76
    5.1.1 塑性铰长度对计算不同自振周期结构的滞回耗能量的影响  59-72
    5.1.2 塑性铰长度对计算不同阻尼比的结构滞回耗能的影响  72-76
  5.2 考虑不同地震动因素时塑性铰长度对计算结构滞回耗能量的影响  76-89
    5.2.1 输入不同频谱特性的地震波时塑性铰长度对计算结构滞回耗能量的影响  76-81
    5.2.2 塑性铰长度对计算不同持时的地震动作用下结构滞回耗能的影响  81-84
    5.2.3 本文判别结构失效的方法和准则  84-85
    5.2.4 框架顶点位移、基底剪力和总滞回耗能反应分析  85-86
    5.2.5 框架结构各楼层滞回耗能反应  86-89
  5.3 本章小结  89-92
6 考虑塑性铰长度对梁柱间能量分配和梁内部耗能计算的影响  92-104
  6.1 塑性铰长度对持时的梁柱间能量计算的影响  92-95
    6.1.1 不同持时地震动作用下塑性铰长度对构件间能量计算的影响  92-95
  6.2 塑性铰长度对梁内部耗能计算的影响及塑性铰长度模型选取  95-102
  6.3 本章小结  102-104
7 结语  104-108
  7.1 本文主要研究工作和结论  104-106
  7.2 需要进一步研究的工作  106-108
致谢  108-110
参考文献  110-114
附录  114

塑性铰长度对平面框架滞回耗能计算影响分析

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