基于SLaMA方法的RC框架结构地震破坏机制研究

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近年来大量地震灾害表明,既有建筑在强震作用下具有较高的地震易损性,其地震破坏突出表现在结构薄弱部位,诸如梁、柱或梁柱节点等细节不佳的主要结构构件过早失效,影响建筑物的整体响应。虽然普遍认为非线性有限元数值模拟分析可以对既有建筑进行抗震评估,但其准确性在很大程度上取决于数值模型捕捉可能破坏机制的能力。因此,迫切需要可靠的地震评估程序,以便能够简单地确定潜在的结构弱点及其对整体建筑能力的影响。为此,本文引入SLaMA分析方法,按照“从局部到整体”的基本思想,通过将结构构件的局部行为扩展到整体推覆响应,从而获取建筑物能力曲线。本文研究内容主要包括:(1)提出构建“性能域”的概念,将不同部位结构构件统一绘制于等效柱弯矩-轴向荷载关系图,实现各构件间的强度层级比较。为实现该目的,基于梁柱节点的力矩平衡推导了不同部位构件特定失效机制下分别在推、拉两方向上与等效柱弯矩的换算关系。并根据框架体系简化平衡原理,实现抗震需求在性能域表示为等效柱弯矩和柱轴向荷载的函数。最后,在性能域图形中通过找到抗震需求和所考虑机制承载力的交汇点,实现评估构件中失效机制的激活顺序。(2)为捕捉到结构构件的破坏机制,概括总结并选取表征梁、柱、节点域强度及变形能力的建议力学模型。利用前面所述的“性能域”构建为理论基础,通过手算的形式,对一榀钢筋混凝土框架结构进行强度层级数值计算分析,从而实现各构件层面上失效机制以及梁-柱节点在推、拉两方向上强度层级的判断。(3)提出抗侧力框架结构在不同塑性机制下的能力曲线计算公式。基于Matlab软件对一榀钢筋混凝土框架结构各梁-柱节点进行强度层级计算,根据所求得梁、柱、节点域力学特性,通过“强制”框架发展出三种不同机制,分别计算其对应的能力曲线。结果表明:受节点剪切破坏限制的混合铰机制的侧向能力明显低于梁铰机制和柱铰机制侧向能力,因此认为混合铰机制的推覆曲线代表该框架的侧向能力。(4)分别设计一榀2跨4层、2跨6层、4跨4层和4跨6层框架结构,采用有限元软件SAP2000按照原设计参数建立有限元模型,并通过定义塑性铰进行Pushover分析,对比SLaMA方法强度层级与Pushover分析结果,观察塑性铰分布规律,发现SLaMA合理预测结构呈“梁铰模式”;在原设计结构基础上通过缩小底部柱截面尺寸和配筋率,再次对比二者分析结果,对比发现SLaMA合理预测了更改的框架呈“柱铰模式”。最后分别对比二者“梁铰模式”和“柱铰模式”下的能力曲线,结果表明:SLaMA和Pushover的能力曲线结果接近,验证了SLaMA方法的可靠性。
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