磚石古塔地震損傷機(jī)理與分析模型

古塔是寶貴的建筑遺產(chǎn)。開展古塔地震損傷機(jī)理與分析模型的研究，提出有效的抗震分析與鑒定方法，是文物保護(hù)的關(guān)鍵性工作。本項目以汶川地震受損古塔為典型，研究受損結(jié)構(gòu)動力特性的變化規(guī)律，探討古塔地震損傷機(jī)理與特征的表達(dá)方法，主要內(nèi)容為：（1）基于無損測試的古塔隱蔽工程參數(shù)和損傷狀態(tài)的識別與模擬技術(shù)；（2）綜合古塔結(jié)構(gòu)組成、場地環(huán)境等地震作用影響因素的整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型的構(gòu)建方法。 經(jīng)過課題組三年來的努力，各項研究工作按計劃執(zhí)行，并取得以下四項代表性成果。 （1）基于磚石古塔震害程度的地震烈度評價參考標(biāo)準(zhǔn)。以汶川地震災(zāi)區(qū)的六十多座磚石古塔的統(tǒng)計分析資料為依據(jù)，針對古塔的建筑結(jié)構(gòu)特征、地震損傷規(guī)律以及文物修復(fù)的特定要求，確立了古塔震害分級定義；提出了蘊(yùn)含中國歷史文化特色的，與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)防烈度相對應(yīng)的，基于磚石古塔震害程度評價地震烈度的參考標(biāo)準(zhǔn)。 （2）基于無損測試的古塔隱蔽工程和損傷狀態(tài)的識別模擬技術(shù)。針對磚石古塔構(gòu)造特征與砌體結(jié)構(gòu)裂縫規(guī)律，建立了探地雷達(dá)（GPR）圖譜特征與古塔內(nèi)部構(gòu)造、殘損狀況的對應(yīng)關(guān)系，編制了基于MATLAB的GPR測試結(jié)果模擬分析程序；根據(jù)古塔的結(jié)構(gòu)類型、材料特征及場地狀況，歸納了環(huán)境脈動測試與計算機(jī)模擬綜合確定古塔動力特性的方法，提出了考慮地基作用的古塔有限元建模方法。 （3）地震作用下磚石古塔破壞機(jī)理的理論與試驗研究。研究了傳統(tǒng)磚砌體的材料破壞準(zhǔn)則，提出了采用顯式積分法對磚石古塔進(jìn)行非線性動力分析的方法及技術(shù)參數(shù)，模擬出磚石古塔地震破壞的時序與空間分布特征。應(yīng)用彈塑性時程分析法對磚石古塔在地震作用下的動態(tài)反應(yīng)進(jìn)行分析計算，歸納出變形與內(nèi)力反應(yīng)規(guī)律, 揭示出磚石古塔豎向中軸截面劈裂、頂部1/3以上脫落、局部壓潰的破壞機(jī)理；首次進(jìn)行了小尺度磚石古塔模型的振動臺試驗，對古塔在地震作用下的破壞機(jī)理進(jìn)行了驗證研究。 （4）現(xiàn)代建筑材料加固磚石古塔的工藝與抗震性能研究。針對古塔震害特征和環(huán)境因素，研究鋼材、砌體以及粘接材料的風(fēng)化腐蝕作用規(guī)律，優(yōu)選了材料配方；完成了古塔灌漿圍箍加固砌體墻的抗震性能試驗，確定了加固材料的合理設(shè)置方法；針對磚石古塔豎向劈裂的震害現(xiàn)象，提出了預(yù)應(yīng)力碳纖維板圍箍加固古磚塔的工藝，研制了碳纖維板的張拉錨固一體化裝置。 本項目的研究成果將有利于建筑遺產(chǎn)減災(zāi)理論體系的建設(shè)，也可為我國眾多亟待鑒定和加固的古塔提供有益的參考。 2100433B

磚石古塔融合了中外文化與建筑藝術(shù)的精華，是人類寶貴的遺產(chǎn)。開展古塔地震損傷機(jī)理與分析模型的研究，提出有效的抗震分析與鑒定方法，是地震區(qū)文物防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵性工作，具有重大的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。本項目以汶川地震受損古塔為典型，重點研究受損結(jié)構(gòu)動力特性響應(yīng)的變化規(guī)律，探討古塔地震損傷機(jī)理與損傷特征的表達(dá)方法，主要內(nèi)容為：（1）基于無損測試與模態(tài)擬合的古塔隱蔽工程參數(shù)和結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的識別與模擬技術(shù)；（2）綜合古塔結(jié)構(gòu)組成、建筑特征、場地環(huán)境等地震作用影響因素的整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型的構(gòu)建方法。通過研究，將進(jìn)一步完善我國古塔防震減災(zāi)的理論分析體系，推動現(xiàn)代測試模擬技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用。項目的研究成果可為眾多亟待檢測和加固的古塔提供有益的參考，并可為國家制定相應(yīng)的規(guī)范提供基本的依據(jù)。

年代久遠(yuǎn)、自然環(huán)境惡化不僅加劇了古塔結(jié)構(gòu)的損壞和老化，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致古塔結(jié)構(gòu)變形日趨嚴(yán)重并逐漸呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)。古塔是古代的高層建筑，其變形是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估最重要的評判指標(biāo)。本項目通過磚石古塔基本特點的分析，對影響其變形的主要因素進(jìn)行研究，采用各種不均勻應(yīng)力水平狀態(tài)下土體流變的計算方法，根據(jù)塔身材料在應(yīng)力和環(huán)境偶合作用下的衰減規(guī)律，建立磚石古塔結(jié)構(gòu)變形預(yù)測模型。通過對磚石古塔結(jié)構(gòu)變形突變點的預(yù)測，達(dá)到評估古塔結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的目的，為評估古塔安全提供依據(jù)，為維修和管理提供參考。本項目首次從單體研究上升為規(guī)律性的結(jié)構(gòu)變形預(yù)測模型研究，并用信息擴(kuò)散技術(shù)解決數(shù)據(jù)不足的問題，具有重要的科學(xué)意義。該研究的成果可以直接應(yīng)用于我國的古塔保護(hù)，具有明顯的實用價值。 2100433B

目錄

前言

第1章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 結(jié)構(gòu)損傷模型研究與發(fā)展 3

1.2.1 材料層次損傷模型 3

1.2.2 構(gòu)件層次損傷模型 7

1.2.3 結(jié)構(gòu)層次損傷模型 8

1.3 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算模型 9

1.3.1 梁柱構(gòu)件的模擬 10

1.3.2 剪力墻的模擬 12

1.4 高層建筑結(jié)構(gòu)地震損傷分析方法的研究與發(fā)展 14

1.4.1 有限單元數(shù)值封算方法 15

1.4.2 離散單元數(shù)值計算方法 15

1.4.3 有限元-離散元棍合數(shù)值計算方法 16

1.5 高層建筑結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化理論的研究與發(fā)展 16

1.6 高層建筑結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的地震損傷控制理論研究與發(fā)展 17

參考文獻(xiàn) 19

第2章 高層建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件地震損傷分析 36

2.1 考慮損傷累積效應(yīng)的鋼柱損傷演化分析 36

2.1.1 損傷模型 36

2.1.2 損傷累積效應(yīng)的影響 42

2.1.3 損傷演化規(guī)律 45

2.2 鋼筋混凝土柱基于易損性的地震損傷評估 48

2.2.1 精細(xì)化分析模型 48

2.2.2 地震損傷評估 50

2.3 鋼筋混凝土柱基于能量闊值的地震損傷分析 54

2.3.1 基于能量的損傷模型 55

2.3.2 損傷演化分析 59

2.4 鋼筋混凝土剪力墻損傷演化分析 63

2.4.1 損傷模型 63

2.4.2 損傷演化分析 66

參考文獻(xiàn) 71

第3章 高層銅框架結(jié)構(gòu)地震損傷分析 75

3.1 考慮損傷累積效應(yīng)的地震倒塌分析 75

3.2 Benchmark鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌模擬分析 77

3.2.1 分析模型 77

3.2.2 失效極限荷載 78

3.2.3 失效路徑與倒塌過程模擬 83

參考文獻(xiàn) 86

第4章 高層銅框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)地震損傷分析 89

4.1 基于等效剛度的地震損傷模型 89

4.2 地震損傷演化分析 90

4.2.1 分析模型 90

4.2.2 響應(yīng)分析 92

4.2.3 損傷演化規(guī)律與倒塌分析 98

4.3 鋼-混凝士結(jié)構(gòu)地震損傷演化過程振動臺試驗 102

4.3.1 試驗?zāi)Ｐ?102

4.3.2 試驗工況 104

4.3.3 試驗結(jié)果 107

4.3.4 基于等效剛度的整體損傷模型應(yīng)用 119

4.3.5 損傷演化與失效過程分析 123

4.4 基于貝葉斯理論的地震損傷演化分析 134

4.4.1 貝葉斯理論 134

4.4.2 基于貝葉斯理論的地震易損性分析方法 139

4.4.3 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)基于貝葉斯理論的地震損傷分析 141

參考文獻(xiàn) 154

第5章 高層鋼結(jié)構(gòu)基于等抗震性能的地震失效模式優(yōu)化 158

5.1 基于等抗震性能的優(yōu)化設(shè)計 158

5.1.1 設(shè)計理論 158

5.1.2 損傷準(zhǔn)則 159

5.1.3 抗震性能指標(biāo) 162

5.1.4 優(yōu)化流程 162

5.2 失效模式單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計與分析 164

5.2.1 分析模型 164

5.2.2 優(yōu)化過程 167

5.2.3 優(yōu)化分析 171

5.3 失效模式多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計與分析 179

5.3.1 銅板剪力墻數(shù)值模擬方法 179

5.3.2 分析模型 180

5.3.3 優(yōu)化過程 181

5.3.4 優(yōu)化分析 182

參考文獻(xiàn) 188

第6章 高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的地震失效模式識別與優(yōu)化 190

6.1 基于損傷與越能的結(jié)構(gòu)失效模式識別與多目標(biāo)優(yōu)化 190

6.1.1 損傷指數(shù) 191

6.1.2 能量指標(biāo) 194

6.1.3 失效模式優(yōu)化 194

6.1.4 算例分析 195

6.2 基于概率的結(jié)構(gòu)主要失效模式識別方法 204

6.2.1 各失效模式下結(jié)構(gòu)失效概率 204

6.2.2 失效模式識別步驟 205

6.2.3 算例分析 206

6.3 基于截面損傷指數(shù)的結(jié)構(gòu)失效模式多目標(biāo)優(yōu)化 215

6.3.1 截面損傷指數(shù) 216

6.3.2 失效模式多目標(biāo)優(yōu)化 217

6.3.3 算例分析 217

參考文獻(xiàn) 230

第7章 高層鋼結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的非線性地震損傷控制 232

7.1 非線性半主動控制平臺 232

7.1.1 半主動控制流程 232

7.1.2 基本控制方程 234

7.1.3 MR阻尼器的出力模型 235

7.1.4 半主動控制律 236

7.1.5 MR阻尼器優(yōu)化設(shè)計 237

7.2 高層鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震損傷控制 238

7.2.1 分析模型 238

7.2.2 損傷控制效果 239

7.3 鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)非線性地震損傷控制 244

7.3.1 分析模型 244

7.3.2 動力時程響應(yīng) 246

7.3.3 損傷控制效果 251

參考文獻(xiàn) 256

第8章 高層銅-混凝土結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的非線性地震損傷控制 257

8.1 鋼筋混凝土剪力墻損傷準(zhǔn)則 257

8.2 算例分析 259

8.2.1 混合結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬 259

8.2.2 分析模型 259

8.2.3 動力晌應(yīng) 261

8.2.4 損傷控制效果 263

參考文獻(xiàn) 268

第9章 鋼混攝土結(jié)構(gòu)非線性地震損傷控制模型試驗 269

9.1 半主動控制系統(tǒng)設(shè)計 269

9.2 模型設(shè)計與試驗工況 270

9.2.1 試驗?zāi)Ｐ?270

9.2.2 試驗工況 273

9.2.3 MR阻尼器 273

9.3 試驗結(jié)果與分析 275

9.3.1 峰值響應(yīng)控制效果 275

9.3.2 動力響應(yīng)控制效果 278

9.3.3 能量耗散控制效果 282

9.3.4 損傷控制效果 285

9.4 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)損傷演化數(shù)值模擬 289

9.4.1 混凝土損傷本構(gòu)模型 289

9.4.2 應(yīng)變反演 290

9.4.3 等效纖維單元模型 292

9.4.4 數(shù)值模擬結(jié)果 294

參考文獻(xiàn) 297

索引 2992100433B

本書系統(tǒng)地總結(jié)和闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)地震損傷演化分析、失效模式識別與優(yōu)化、基于磁流變阻尼器的非線性地震損傷控制的原理與方法等。主要內(nèi)容包括高層建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件地震損傷分析，高層鋼框架結(jié)構(gòu)、高層銅框架溫凝土核心筒結(jié)構(gòu)地震損傷分析，高層鋼結(jié)構(gòu)基于等抗震性能的地震失效模式優(yōu)化，高層鋼結(jié)構(gòu)基于性能的地震失效模式識別與優(yōu)化，高層鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼淚凝土結(jié)構(gòu)基于MR阻尼器的非線性地震損傷控制，以及鋼棍凝土結(jié)構(gòu)非線性地震損傷控制模型試驗等。