【摘 要】
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残余位移是结构震后可修复性评价的重要指标,合理分析并准确估计结构的震后残余位移对于地震损伤控制及性能评估具有重要意义。SDOF体系的残余位移分析是实现结构震后可修复性能控制的基础,现阶段与残余位移相关的研究主要是针对SDOF体系开展的,这些研究在时程分析时通常采用了常阻尼系数假定,事实上,这一阻尼假定并不适用于结构固有阻尼耗能机制的模拟,基于该假定可能会导致不切实际的分析结果。切线刚度正比阻尼已经
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残余位移是结构震后可修复性评价的重要指标,合理分析并准确估计结构的震后残余位移对于地震损伤控制及性能评估具有重要意义。SDOF体系的残余位移分析是实现结构震后可修复性能控制的基础,现阶段与残余位移相关的研究主要是针对SDOF体系开展的,这些研究在时程分析时通常采用了常阻尼系数假定,事实上,这一阻尼假定并不适用于结构固有阻尼耗能机制的模拟,基于该假定可能会导致不切实际的分析结果。切线刚度正比阻尼已经被证明更适合结构固有阻尼的模拟,然而,当结构呈现屈服后软化特性时将会产生有悖于物理事实的负阻尼问题。另外,目前关于残余位移及震后可修复性相关的研究仍存在诸多不足,特别是残余位移的标准化、同时考虑最大位移和残余位移的抗震设计方法、主余震序列下的残余位移等方面尚缺乏系统的研究。而且,我国现行桥梁和建筑抗震设计规范中对于可修复性的考虑不够完善,缺乏残余位移的具体计算方法。针对上述存在的问题,本文开展了SDOF体系非线性时程分析中的阻尼模型及震后残余位移研究。主要研究内容和结论如下:(1)对切线刚度正比阻尼进行了修正,避免了结构在软化阶段出现负阻尼问题,并基于单层钢框架的地震振动台试验对修正的阻尼模型进行了验证。结合修正切线刚度正比阻尼和质量正比阻尼,建立了适用于SDOF体系非线性时程分析的切线刚度正比Rayleigh阻尼,该模型能够同时模拟结构的固有阻尼、附属阻尼装置及安装了阻尼装置的整个结构体系的阻尼耗能机制。将切线刚度正比Rayleigh阻尼模型应用于SDOF体系的非线性时程分析中,理论推导了运动微分方程的数值积分公式,建立了适用于不同粘滞阻尼假定的非线性运动方程数值求解方法。(2)采用所建立的切线刚度正比Rayleigh阻尼模型及基于这一阻尼假定的非线性运动方程数值求解方法,通过质量比例和切线刚度比例阻尼项的不同组合,研究了阻尼模型的选取对结构震后残余位移的影响。结果表明,阻尼模型对震后残余位移的影响显著,且取决于自振周期、初始阻尼比及刚度退化特性;先前基于常阻尼系数假定的时程分析统计结果建立的残余位移反应谱将会低估常规结构的震后残余位移。为此,基于修正切线刚度正比阻尼假定下的时程分析统计结果,研究了结构参数对震后残余位移的影响规律,为震后残余位移的控制(减小)措施提供了理论依据。(3)基于修正切线刚度正比阻尼假定的时程分析结果,研究了残余位移分别与弹性谱位移和峰值弹塑性位移之间的相关性;采用两种位移指标对残余位移进行标准化,研究了地面运动特性及结构参数对两种不同定义残余位移比的影响规律,并基于不同标准化方法建立了适用于常规结构(无附属阻尼装置)的等强度残余位移比谱。结果表明,残余位移与峰值弹塑性位移之间具有更强的相关性,采用峰值弹塑性位移标准化得到的残余位移比具有离散性小、无极端值及分布对称等优点,且其几乎不受局部场地、显著持时、自振周期和强度折减系数(仅限折减水平较高时)的影响。从工程应用简单、方便的角度,采用峰值弹塑性位移标准化的残余位移更适合结构震后残余位移的估计。(4)通过动力时程分析和拟静力非线性分析方法分别计算了不同结构的最大位移,以非线性时程分析结果为基准,对基于Jacobsen等能量原则建立的等效阻尼比进行了修正。以残余位移与基于修正等效阻尼比的拟静力最大位移的比值作为研究对象进行统计分析,建立了基于拟静力非线性分析的震后残余位移概率计算方法,该方法以获得结构的最大位移为基础,强调结构的可修复性应以抗倒塌性满足要求为前提,不仅能够求得与时程分析结果在平均统计意义上相一致的最大位移,而且能够较为准确地计算不同超越概率条件下的震后残余位移。(5)通过分别考虑仅主震作用和主余震序列作用两种情况,研究了余震对结构震后残余位移的影响。将主震后的残余位移和主余震序列结束后的残余位移两者的最大值作为对象,研究了不同参数对残余位移的影响,建立了主余震序列下结构的等延性残余位移比谱。结果表明,余震将会减小残余位移比的离散性;在平均统计意义上,余震会进一步增加结构的残余位移比。余震相对强度、自振周期、位移延性和屈服后刚度是影响残余位移比的主要因素,而频谱特性和显著持时对残余位移比的影响较小。建立的主余震序列作用下的残余位移比谱充分考虑了余震对残余位移的影响,较单次地震记录的残余位移计算公式更加安全、可靠。
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