基于極限承載能力和地震延性需求的結(jié)構(gòu)可靠度研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)的極限承載能力和地震延性需求是反映工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性的兩個(gè)重要指標(biāo),也是結(jié)構(gòu)安全性和適用性評(píng)估以及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本論文基于極限分析理論和廣義屈服準(zhǔn)則,研究建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)極限承載能力分析的彈性模量縮減法;結(jié)合隨機(jī)有限元、極限分析和點(diǎn)可靠度理論,研究建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系可靠度分析的影響系數(shù)法和隨機(jī)彈性模量縮減法;對(duì)經(jīng)典的單軸Bouc-Wen模型進(jìn)行改進(jìn),分別建立了單、雙向地震激勵(lì)和平扭耦聯(lián)作用下非彈性體系非線性地震動(dòng)力響應(yīng)分析的

2、新型Bouc-Wen模型,結(jié)合69條強(qiáng)震記錄定量地分析了P-△效應(yīng)、捏攏效應(yīng)、強(qiáng)度退化、剛度退化等因素對(duì)非彈性體系的地震延性需求和Park-Ang地震損傷指標(biāo)的概率統(tǒng)計(jì)特征的影響,并建立了地震延性需求的經(jīng)驗(yàn)概率分布模型和預(yù)測(cè)方程。上述研究成果對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的安全性、適用性評(píng)估以及抗震可靠度分析具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本論文的主要研究工作有:
　　 (1)基于極限分析理論和廣義屈服準(zhǔn)則,定義了單元承載比、承載比均勻度、基準(zhǔn)

3、承載比等參數(shù)的物理意義和計(jì)算表達(dá)式,并以單元承載比作為控制參數(shù),結(jié)合應(yīng)變能平衡原理研究建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)極限承載能力分析的彈性模量縮減法。算例分析表明,該方法的計(jì)算精度高、收斂速度快、且適用于由多種材料和多種單元類型構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極限承載能力分析。
　　 (2)基于常應(yīng)變法、圓弧法、應(yīng)變能守恒和應(yīng)變能平衡等不同原理研究建立了確定彈性模量縮減因子的四種策略,并結(jié)合空間桁架、剛架以及板殼結(jié)構(gòu)對(duì)四種策略的計(jì)算精度和效率進(jìn)行討論,發(fā)現(xiàn)基于

4、應(yīng)變能平衡原理的彈性模量縮減法具有較高的計(jì)算效率和計(jì)算精度,為彈性模量縮減因子的確定提供了明確的物理意義和科學(xué)依據(jù)。
　　 (3)針對(duì)極限分析的解析法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法以及傳統(tǒng)彈性模量調(diào)整法中“比例加載”這一限定,對(duì)所建立的彈性模量縮減法作進(jìn)一步改進(jìn),研究提出了一種適用于非比例加載條件下結(jié)構(gòu)極限承載能力分析的新方法。算例分析表明,該方法的計(jì)算精度高、收斂速度快、且適用于恒荷載和活荷載共同作用下的復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的極限承載能力分析。

5、　　 (4)考慮P-△效應(yīng)、捏攏效應(yīng)、強(qiáng)度退化、剛度退化以及應(yīng)變硬化等因素對(duì)非彈性體系地震動(dòng)力響應(yīng)的影響,研究建立了單向地震激勵(lì)作用下非彈性單自由度體系非線性地震動(dòng)力響應(yīng)分析的新型單軸Bouc-Wen模型,并結(jié)合69條強(qiáng)震記錄定量地分析了P-△效應(yīng)和捏攏效應(yīng)對(duì)非彈性單自由度體系的地震延性需求和Park-Ang地震損傷指標(biāo)的概率統(tǒng)計(jì)特征的影響,進(jìn)而建立了地震延性需求的經(jīng)驗(yàn)概率分布模型和預(yù)測(cè)方程。
　　 (5)提出采用規(guī)一化位移作

6、為控制參數(shù),以圓形屈服面來(lái)描述雙向規(guī)一化恢復(fù)力之間的耦合效應(yīng),研究建立了雙向地震激勵(lì)下非彈性體系非線性地震動(dòng)力響應(yīng)分析的新型雙軸Bouc-Wen模型,結(jié)合69條強(qiáng)震記錄定量地分析了雙向地震激勵(lì)和P-△效應(yīng)對(duì)地震延性需求和Park-Ang損傷指標(biāo)的概率統(tǒng)計(jì)特征的影響,并建立了地震延性需求和累積滯回耗能的近似公式。
　　 (6)提出采用圓形屈服面來(lái)描述雙向規(guī)一化抗側(cè)恢復(fù)力之間的耦合效應(yīng),采用錐體或球體屈服面來(lái)描述雙向抗側(cè)恢復(fù)力和扭矩

7、之間的耦合效應(yīng),研究建立了平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)非彈性地震動(dòng)力響應(yīng)分析的平扭耦聯(lián)Bouc-Wen模型,結(jié)合69條強(qiáng)震記錄定量地分析了結(jié)構(gòu)的規(guī)一化屈服強(qiáng)度、非耦聯(lián)平動(dòng)自振周期、規(guī)一化剛度偏心距、非耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)平動(dòng)頻率比、屈服后剛度比等參數(shù)對(duì)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)非彈性平扭耦聯(lián)效應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)特征的影響。
　　 (7)結(jié)合極限分析的彈性模量調(diào)整策略和點(diǎn)可靠度理論,研究建立了結(jié)構(gòu)體系可靠度分析的影響系數(shù)法。該方法利用確定性有限元分析建立外荷載和單元內(nèi)力之間

8、的關(guān)系,以單元可靠指標(biāo)作為控制參數(shù)定義結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)均勻度和基準(zhǔn)可靠指標(biāo),通過(guò)系統(tǒng)地調(diào)整各單元的彈性模量以模擬結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)重分布和失效狀態(tài)轉(zhuǎn)移,通過(guò)一系列線彈性有限元迭代分析確定結(jié)構(gòu)的最終失效模式和體系可靠度。計(jì)算結(jié)果顯示,該方法的計(jì)算精度高、收斂速度快,且有效克服了傳統(tǒng)體系可靠度分析中失效狀態(tài)演化過(guò)程模擬復(fù)雜、主要失效模式難以識(shí)別兩大難點(diǎn)。
　　 (8)結(jié)合隨機(jī)有限元、極限分析和點(diǎn)可靠度理論,研究建立了空間變異結(jié)構(gòu)體系可靠度

9、分析的隨機(jī)彈性模量縮減法。該方法考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)和外荷載的空間變異性,利用數(shù)值積分法確定隨機(jī)場(chǎng)局部平均間的協(xié)方差矩陣,采用攝動(dòng)隨機(jī)有限元法確定結(jié)構(gòu)的隨機(jī)響應(yīng)量和各控制單元的可靠指標(biāo),進(jìn)而以單元可靠指標(biāo)作為控制參數(shù),結(jié)合彈性模量調(diào)整策略和隨機(jī)有限元迭代分析模擬結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)重分布和失效狀態(tài)轉(zhuǎn)移,最終確定結(jié)構(gòu)的整體失效模式和體系可靠度。由于該方法避免通過(guò)虛擬塑性鉸、虛加外荷載來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的失效演化歷程和破壞模式,所以結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)偠染仃嚭秃奢d列陣計(jì)