基于构件损伤的隔震结构易损性分析

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.72MB 72 页 15积分

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摘要

在我国，隔震技术的应用越来越广泛，对隔震结构的研究较为深入，但较少

涉及隔震结构在地震作用下的安全性评价。采用理论计算得到隔震结构的易损性，

是在灾前预测隔震结构损失的重要环节。

本文主要研究了隔震结构的整体损伤参数限值，从构件损伤出发，评价结构

的整体损伤，并据此得到了整体损伤参数的界限值。结合构件的刚度退化和最大

反应位移，提出了一个判断构件损伤状态的参数，给出了构件损伤参数的损伤水

平界限值。通过对一个采用三种配筋率的三层隔震结构模型进行增量动力分析，

初步得到了结构整体损伤参数的具体界限，并研究了隔震支座极限剪切变形对整

体损伤参数的影响。最后，分别以一个 12 层隔震结构和一个 12 层常规结构为例，

采用本文所得到的整体损伤参数界限值，展现了得到两栋结构易损性曲线的具体

过程，并对两栋结构的抗震性能进行了评价。主要有以下成果：

1.本文提出的构件损伤参数，不仅考虑了结构的最大位移，并且同时考虑了构

件的刚度退化。损伤参数取值时，避免了计算较难获取的累积滞回能量，同时能

保证准确地描述构件的损伤状态。

2.选取最大层间位移角作为整体损伤参数时，竖向构件的配筋率对其各损伤状

态下的限值影响较大，随着配筋率的增加，最大层间位移角的界限值也相应地随

之增大，两者成线性关系。为去除配筋率的影响，将整体结构的损伤参数定义为

最大层间位移角与 100 倍配筋率的比值，得到了整体损伤参数的界限值分别为

0.001、0.0025、0.0065 和0.013。

3.隔震支座具有良好的耗能能力，结构倒塌时，隔震支座尚未达到极限剪切变

形，隔震支座对整体损伤参数的倒塌界限值并没有影响。

关键词：隔震结构

易损性

增量动力分析

损伤参数

最大层间位移角

ABSTRACT

Application of seismic isolation technology is more and more widespread in China,

the study of which is more in-depth, but less involved isolated structures under

earthquake safety evaluation. The vulnerability of isolated structure, which can be

gained with theoretical calculation, is an important part of forecasting the loss of

isolated structure in pre-disaster.

This paper studied the damage parameter limits of isolated structure, which is

based on reinforced concrete member, and the threshold value of damage parameter is

gained. A parameter, combining elements of stiffness degradation and maximum

response displacement, is proposed to judge component damage in this paper, and the

threshold value of damage parameter of reinforced concrete member is also gained.

Through the incremental dynamic analysis of three-floor isolated structures with three

different reinforcement ratios, the threshold value of damage parameter of structure is

gained, and the effects of ultimate shear deformation of isolation bearing damage to it is

studied. Finally, a 12-floor isolation structure and a 12-floor common structure are built

to show the whole process of getting structural fragility curves with the damage

parameter obtained in this paper, and the seismic performance of them is evaluated.

Mainly achievements of this paper are as follow:

1. Component damage parameters proposed in this paper, not only considering the

maximum displacement of the structure, and taking into account the stiffness

degradation member. When the damage parameter valued, the calculation of

accumulated hysteresis energy is avoided, which is more difficult to gain, while

ensuring accurate description of the damage state member.

2. When selecting maximum story drift as the damage parameter of structure, the

reinforcement ratios of vertical members has a greater impact to its limits of each

damage state. While reinforcement ratio increasing, the threshold of selecting maximum

story drift correspondingly increases, between which there is a linear relationship. To

remove the effect of reinforcement ratio, the damage parameter of overall structure

defines the ratio of maximum story drift and reinforcement ratio of 100 times， and the

threshold value of it are 0.001,0.0025,0.0065 and 0.013.

3. Isolation bearing performs well in energy dissipation. When the structure

collapsed, isolator bearing has not yet reached the limit shear deformation, so it has no

impact on the collapsed threshold parameter.

Key Word

：

isolation structure, vulnerability, incremental dynamic

analysis, damage parameters, maximum story drift

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 研究背景 ................................................................................................................ 1

1.2 高层隔震建筑 ........................................................................................................ 1

1.2.1 隔震结构模型及原理 ...................................................................................... 1

1.2.2 建筑隔震应用实例 .......................................................................................... 3

1.2.3 隔震建筑的地震影响研究现状 ...................................................................... 4

1.3 易损性分析理论及研究现状 ................................................................................ 5

1.3.1 结构易损性分析概述 ...................................................................................... 5

1.3.2 结构易损性研究现状 ...................................................................................... 5

1.3.3 损伤参数研究现状 .......................................................................................... 7

1.4 本文的研究目的及主要内容 .............................................................................. 11

1.4.1 研究目的 ........................................................................................................ 11

1.4.2 主要内容 ........................................................................................................ 12

第二章易损性分析方法与计算理论 .......................................................................... 13

2.1 增量易损性分析法 .............................................................................................. 13

2.1.1 基本原理 ........................................................................................................ 13

2.1.2.分析步骤 ........................................................................................................ 13

2.2 MIDAS/gen 中的单元简介 .................................................................................. 14

2.2.1 单元简介 ........................................................................................................ 14

2.2.2 滞回模型 ........................................................................................................ 16

2.2.3 隔震支座的力学模型 .................................................................................... 17

2.3 振动台实验与 MIDAS/gen 计算结果对比 ......................................................... 18

2.3.1 振动台试验模型概况 .................................................................................... 18

2.3.2 Midas/gen 模型建立 ...................................................................................... 20

2.3.3 基本模态对比分析 ........................................................................................ 21

2.3.4 结构加速度响应对比分析 ............................................................................ 22

2.3.5 结构位移反应对比 ........................................................................................ 23

2.3.6 误差分析 ........................................................................................................ 23

2.4 本章小结 .............................................................................................................. 24

第三章隔震结构损伤参数限值研究 .......................................................................... 25

3.1 结构的损伤状态划分 .......................................................................................... 25

3.2 整体结构损伤参数确定 ...................................................................................... 27

3.3 基于构件的整体结构损伤参数限值 .................................................................. 29

3.4 分析模型概况 ...................................................................................................... 32

3.5 整体结构层间位移角损伤指标限值 .................................................................. 34

3.5.1 提取各损伤水平最大层间位移角 ................................................................ 34

3.5.2 层间位移角限值与柱配筋率的关系 ............................................................ 43

3.5.3 结构层间位移角性能指标限值 .................................................................... 45

3.5.4 隔震支座对损伤限值的影响 ........................................................................ 47

3.6 本章小结 .............................................................................................................. 49

第四章隔震结构易损性分析算例 .............................................................................. 51

4.1 分析模型建立 ...................................................................................................... 51

4.1.1 模型概况 ........................................................................................................ 51

4.1.2 隔震支座选型及主要参数 ............................................................................ 52

4.1.3 地震记录选取 ................................................................................................ 53

4.2 隔震性能对比 ...................................................................................................... 54

4.3 建立易损性曲线 .................................................................................................. 57

4.4 本章小结 .............................................................................................................. 60

第五章结论与展望 ...................................................................................................... 62

5.1 结论 ...................................................................................................................... 62

5.2 展望 ...................................................................................................................... 62

参考文献 ........................................................................................................................ 64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 68

致谢 ................................................................................................................................ 69

第一章绪论

1.1

研究背景

人类历史的发展是一个与自然的斗争史。早期的人类营造房屋来抵御寒暑风

雨、躲避蛇虫猛兽，而后随生产力的发展，因功能需求产生了各式各样的建筑形

式。在现代社会，物质经济、城市人口密度不断增加，建筑规模也日趋巨大，当

发生自然灾害，特别是像地震这类非常严重的灾害，将给人民生命财产安全带来

巨大威胁。我国领土范围内有两大地震带，地震产生的频率高、烈度强。继 1976

年河北省唐山大地震，时隔 32 年后，四川县汶川省发生 8级地震，造成了几十万

的人员伤亡和 8400 多亿直接经济损失，这再一次提醒我们防震减灾的重要性。

最初建筑主要以刚性结构体系来抵御地震危害，随着科学技术的发展，人们

认识到柔性结构体系的消能作用能更好地抵御地震作用。目前，各国普遍采用的

设计理论是通过适当的设计，使建筑结构形成延性结构体系。这类延性结构体系

具体指使结构体系具有恰当的刚度，能够让建筑在小震作用下有充足的刚度保证

结构不发生破坏，在大震作用下结构将进入塑性状态，从而有效地吸收和消耗地

震能量以减轻地震反应，使建筑不至于倒塌。这种抗震设防目标在我国抗震设计

规范中具体化为三水准两阶段的设计思想[1]。

以上这种设计思想依靠结构自身性能抵抗动力荷载，由于地震作用大小的不

确定性，所设计的建筑可能会因遭受地震作用而倒塌。即使能够保证主体结构的

安全，也不能保证室内装修的完整性和设备安全。现代社会，建筑结构体型越来

越复杂，建筑物的使用功能成为人们关注的焦点，在地震发生时不仅要保证结构

不倒塌，而且要避免正常使用功能的丧失。为了解决这一问题，隔震结构体系逐

渐发展起来。其基本思想是使用柔性隔震层吸收地震产生的能量，从而减轻地震

对上部结构的作用，这使得地震对上部结构的作用大为下降，提高结构的安全性。

隔震技术的应用越来越广泛，目前主要被用于多层建筑的减震中，诸多研究

和以往地震考验证明了其有效性。但是随着经济社会发展，人们不只关注建筑的

安全性，其在地震中的损伤预测也日益成为热点。基于这个原因，隔震结构的易

损性评估被提上日程。

1.2

高层隔震建筑

1.2.1

隔震结构模型及原理

传统的建筑物基础固定于地面上，以建筑物本身的刚度及延性抵抗地震荷载。

上海理工大学硕士论文

隔震建筑是把上部结构和基础隔开，两者之间设置一层柔性层，用以阻隔地震对

上部结构的作用。由于隔震层的存在，结构的基本周期将会变大，而通常地震动

的频率较大、周期较小，从而可以减小共振效应。同时，隔震层能够利用自身的

高阻尼特性吸收地震能量，并将其反馈回地面，从而进一步减小地震对上部结构

的作用。

与常规结构相比，使用隔震技术的结构，地震对上部结构的作用下降

40%~80%[2]，遭受地震作用时隔震建筑的上部结构反应主要为第一振型，与刚体

平动相似，如图 1-1 所示。

（a）抗震建筑（b）隔震建筑

图1-1 抗震建筑与隔震建筑的地震反应

隔震建筑物在不同方向的运动可以简化为一维运动模型（如图 1-2 所示），用

一维运动方程进行分析[3]。一维运动方程为：

XXXM

λω

++=−



 

（1-1）

式中：X隔震后建筑物的位移；



隔震计算的加速度输入；

隔震结

构的阻尼比；

隔震结构的固有频率，

，K和M分别是一维动力模

型的刚度和质量。

可以将地面运动展开成傅里叶级数的形式：

( ) cos( )

g k kk

Xt A t

ωϕ

=⋅+

∑

（1-2）

在隔震结构中主要考虑主频的影响，因此输入的加速度可以简化为：

cos

XAt

ωω



（1-3）

式中：

输入加速度的主频率，取隔震结构所在处的特征频率；

输入

加速度的等效位移幅值。

第一章绪论

图1-2 隔震结构一维动力模型

1.2.2

建筑隔震应用实例

隔震技术在中低层建筑中运用较多，但在高层建筑中应用的时间不是很长。

1995 年以前，在日本采用隔震技术的建筑都在 60m 以下。Sendai MT 大楼是日本

较为著名的高层隔震建筑，该楼地上共有十八层，总高超过 80m，它经受住了发

生于 2003 年off-Miyagi 地震的考验[4]。

自阪神大地震后，日本许多高层建筑采用了隔震技术。大阪 DT 办公楼(见图

1-3)坐落于大阪北区梅田，于 2002 年落成，是当时最高的使用滑动隔震支座的建

筑物。该办公楼共有 31 层，其中地下有 4层，地上有 27 层，最大高度达 130m。

在DT 办公楼中采用了多种隔震减震措施，包括铅芯橡胶支座、直线式滑动支座和

多功能阻尼器[5]。

图1-3 大阪 DT 办公楼

目前在我国，最高的隔震建筑是位于山西太原的一栋十九层的住宅。此外，

还有 48.9m 高的宿迁市人防指挥大楼，该建筑共有 13 层，在地下室顶板和底层楼

面间设置了由橡胶隔震支座、滑移支座和粘滞阻尼器组成的隔震层。计算分析显

示，地震对上部结构的作用明显减小，可按设防烈度减小一度进行设计，除此之

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摘要：

摘要在我国，隔震技术的应用越来越广泛，对隔震结构的研究较为深入，但较少涉及隔震结构在地震作用下的安全性评价。采用理论计算得到隔震结构的易损性，是在灾前预测隔震结构损失的重要环节。本文主要研究了隔震结构的整体损伤参数限值，从构件损伤出发，评价结构的整体损伤，并据此得到了整体损伤参数的界限值。结合构件的刚度退化和最大反应位移，提出了一个判断构件损伤状态的参数，给出了构件损伤参数的损伤水平界限值。通过对一个采用三种配筋率的三层隔震结构模型进行增量动力分析，初步得到了结构整体损伤参数的具体界限，并研究了隔震支座极限剪切变形对整体损伤参数的影响。最后，分别以一个12层隔震结构和一个12层常规结构为例，采...

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