基于推覆分析的钢框架结构地震倒塌判别准则研究

结构地震倒塌判别准则是工程结构强震分析的关键问题。在层损伤模型的基础上,建立了基于推覆分析的建筑结构整体损伤模型,并以国内某2层2跨平面钢框架结构拟静力试验为背景,应用有限元程序ABAQUS对平面钢框架进行了强震倒塌数值模拟。分析了钢框架结构的倒塌破坏过程,基于建议地震倒塌判别准则研究了钢框架结构的损伤演化规律。结果表明:钢框架结构在强震作用下的损伤发展顺序与塑性发展顺序一致;基于推覆分析的结构整体损伤模型能较好的体现强震作用下钢框架结构的损伤演化规律,且在上下界处收敛;强震作用下,钢框架结构的初始损伤主要由结构的残余侧移引起,而后期损伤主要由结构的承载力和刚度退化引起。     

环境激励下基于波动能量法的结构损伤识别

目前作为结构健康监测系统核心的损伤识别大多是基于模态参数变化而进行的,但模态参数对局部损坏不敏感,导致损伤识别精度不够。波在结构中的传播状态可以更好地反映局部损伤状况,波动能量可以作为损伤识别的有效指标。为了提高环境激励下结构损伤识别的精度,采用S变换分析了结构输出信号,建立波动能量指标,从而使波动能量指标的使用领域扩展到非平稳信号范围。最后通过三层钢框架试验及弹性分层剪切梁的数值模型对该方法进行了验证,结果表明:该方法不仅能够有效识别结构损伤位置,而且能够识别出损伤程度。     

钢框架结构的地震损伤研究

基于预定损伤法对钢框架构件主要设计参数进行损伤敏感度分析,研究主要设计参数与钢框架结构梁、柱损伤的关系;揭示钢框架结构梁、柱的损伤及梁、柱线刚度比、结构高宽比、柱轴压比、锈蚀率对楼层损伤的影响规律;获得楼层的损伤与整体结构损伤的关系,最终建立钢框架结构的损伤演化模型。研究成果可为建立地震激励下钢框架结构的损伤模型提供理论基础和数据支持。     

基于振型曲率演化法的RC框架结构地震损伤识别

为快速识别地震导致的框架结构损伤,采用一种新的损伤识别方法,即振型曲率演化法。该方法采用S变换对结构顶部的加速度进行分析,进而得出地震前与地震期间的两个重要时刻,然后通过计算这两个时刻的振型曲率差识别结构薄弱层位置。为验证该方法的合理性和有效性,以6层3跨RC框架结构为例,在不同地震波和不同调幅工况下,分别对比振型曲率演化法与单参数层间位移角、双参数损伤指数两种损伤指标识别的结构薄弱层位置。在此基础上进一步研究了振型曲率差与两种损伤指标之间的相关性,并建立了线性关联模型来识别薄弱层损伤程度。结果表明：振型曲率演化法与两种损伤指标在不同地震工况作用下识别的薄弱层有很好的一致性,说明该方法能够准确识别结构薄弱层位置。振型曲率差与两种损伤指标之间的拟合公式的相关系数均在0.8以上,相关性都很高,通过分析这种相关性,可以利用振型曲率差获得结构薄弱层的损伤程度。     

基于结构动态响应统计特征的损伤指标研究

为了提高土木工程结构损伤识别的可靠性和有效性,本文提出一种基于结构动态响应统计特征的损伤指标,并对其可行性进行研究。文中首先在结构随机振动理论基础上推导出结构动态响应（包括位移、速度和加速度）的统计特征（包括均值和方差）与结构损伤位置和损伤程度之间的关系;然后通过敏感性分析确定以结构位移的方差作为结构损伤识别的损伤指标;最后,数值模拟-六层钢筋混凝土框架结构在白噪声激励下的动态响应,观察在不同损伤位置和损伤程度下结构动态位移方差的变化,从而对选择结构位移的方差作为损伤指标的可行性进行评估。研究得出结论,使用结构动态响应的统计特征作为土木工程结构损伤识别的损伤指标是可行的。     

钢筋混凝土框架结构地震损伤的识别与试验分析

通过单层及多层钢筋混凝土框架模型的地震损伤模拟试验，揭示了钢筋混凝土结构地震损伤与动力特性变化的关系；概据损伤力学方法，建立了利用可识别参数的地震损伤模型；提出了结构损伤状态参数的识别方法和以上此为基础估计结构地震损伤的方法，从而为钢筋混凝土框架结构的震后损伤识别和修得加固提供了理论依据。     

基于BP网络的框架结构损伤的多重分步识别理论

本文介绍了基于BP网络的框架结构损伤识别的多重分步识别方法，这一方法采取先确定有损伤的层，再确定层内有损伤的杆件最后确定损伤程度的策略，具有所需网络学习样本少和识别准确性与精度高的优越性，文中通过一个钢框架模型的模拟地震振动台试验的应用，详细说明了该方法的应用过程及有效性。     

基于随机IDA的多龄期钢框架地震易损性分析

利用气雾腐蚀箱对城市近海大气环境进行了模拟。对近海大气环境中不同锈蚀程度的钢材试件进行了拉伸试验,并获得了钢材力学性能(屈服强度、极限强度、伸长率和弹性模量)随失重率增大的退化规律。利用钢材力学性能退化规律,建立了钢框架结构的时变整体地震损伤模型。基于ABAQUS数值模拟,同时考虑结构与地震动的不确定性,建立了4个不同龄期(0年、20年、35年、50年)6层钢框架结构的有限元模型,以PGA作为地震动强度指标,以结构整体损伤为地震需求指标,对模型进行了随机IDA分析,并在IDA分析结果的基础上对结构进行了多龄期钢框架结构地震易损性分析。研究结果表明,随着龄期的增长,结构失效概率逐渐增大,且在同一损伤状态下,结构失效概率的增量也逐渐增大;龄期对结构失效概率的影响随损伤程度的增加而增大。     

基于改进MPSCO算法的框架结构损伤检测研究

针对标准粒子群优化算法易陷入局部最优及多粒子群协同优化算法(MPSCO)仍存在的不足,提出了一种改进的多粒子群协同优化算法,并将其与Newmark常平均加速度法、假设检验相结合,研发出一种适用于框架结构的损伤检测策略。首先,针对结构损伤前的实测加速度响应,运用改进MPSCO算法识别出结构损伤前的层间刚度值;第二,针对结构损伤后的实测加速度响应并运用同样的方法识别出结构损伤后的层间刚度值;第三,比较所识别出的结构损伤前后的层间刚度值并结合假设检验从而完成损伤检测。最后通过一7层钢框架的数值模型和实验室试验验证了本文所提损伤检测策略的可靠性。研究结果表明,本文所提的损伤检测策略能够精确地识别结构损伤同时具有较好的抗噪性能和鲁棒性。     

多龄期钢框架时变损伤模型研究

对3种不同厚度的钢材标准试件进行酸性大气环境气雾加速腐蚀试验,并对锈蚀后的试件进行单向拉伸试验,得到钢材力学性能随失重率的衰变规律。同时考虑构件截面削弱与材料力学性能降低,建立不同锈蚀程度下的钢框架有限元分析模型,利用非线性静力推覆分析得到锈蚀钢框架结构的整体初始刚度随锈蚀程度增大的退化规律,以表征结构因锈蚀造成的损伤。提出同时反映最大变形效应和累积耗能效应的双参数结构整体地震损伤模型,并在此损伤模型的基础上集合钢材材性试验结果及有限元分析结果,提出适用于锈蚀钢结构的"时变"损伤模型。对比分析以层间位移角及时变损伤模型为性能指标建立的不同龄期钢框架结构的地震易损性曲线,结果表明:随着锈蚀程度的增加,在相同地震动强度下结构超越某一极限状态的失效概率均增大。     

考虑梁端耗能能力影响的钢框架结构易损性分析

一般采用梁柱焊接节点钢框架结构在遭遇强烈地震地震作用下,结构倒塌破坏可能由于是耗能能力不足所导致。以某钢框架结构为算例,选取20条实际地震动记录,对结构进行易损性分析,对比不同损伤指标和不同梁端构造形式的钢框架结构抗震性能差异。研究显示:对梁柱焊接的普通钢框架结构,其倒塌破坏是由于结构耗能能力不足所导致的,评价结构抗震性能不仅需考虑结构变形能力,尚需同时考虑结构耗能能力;对于改进形式的钢框架结构,结构耗能能力得到显著提高,使得位移首超破坏先于累积损伤破坏,此时基于变形的评价结果更加可靠。     

一种动静结合的框架结构损伤识别方法

为了改进对框架结构损伤的识别效果,在动态和静态损伤识别指标的基础之上,提出了将动态一阶应变差与静态单元相关系数相乘的动静相结合的损伤识别新指标。新指标具有动态法和静态法的优点,一定程度上对动态识别效果与静态识别效果进行叠加,较单独使用动态指标和静态指标更准确、更具优势。对一个4层框架结构的单处损伤和多处损伤进行了数值模拟,并分别使用动态、静态和动静结合的3种指标进行了损伤识别效果的比较,验证了新指标更具优越性。     

高层钢框架结构的薄弱层加强与最弱失效模式控制

主要研究通过加强薄弱层的方法对高层钢框架结构的最弱失效模式进行控制的方法。首先,给出了结构的非线性计算模型和倒塌失效模式判别准则;然后,利用均匀损伤的概念,给出了高层钢框架结构的损伤模型及结构的变截面位置;最后,重点研究了高层钢框架结构的最弱失效模式中的薄弱层的加强准则。通过加强最弱失效模式中的薄弱层,可消除结构的最弱失效模式,验证了本文中地震失效模式控制方法的有效性。本文的研究表明,通过加强最弱失效模式中的薄弱层,可使高层钢框架结构的失效模式得到控制。     

基于时变地震损伤模型的多龄期钢框架结构易损性分析

基于时变地震损伤模型提出酸性大气环境作用下多龄期钢框架结构概率地震易损性分析的方法及步骤;考虑服役龄期对钢框架结构抗震性能的影响,分别建立时变概率地震需求模型、时变概率抗震能力模型及时变易损性模型;在概率地震需求分析及概率抗震能力分析的基础上,得到多龄期(20年、30年、40年、50年)钢框架结构的易损性模型及易损性曲线。     

基于柔度矩阵法的钢栈桥损伤识别

根据以往模态柔度损伤指标的研究成果,建立了模态柔度差曲率和模态柔度曲率差这2种结构损伤识别指标。通过对一个百米钢栈桥最容易发生损伤的下弦梁进行各种损伤工况下的数值模拟研究,比较分析了这2种结构损伤指标的损伤识别效果。并且在钢栈桥2根下弦梁都有损伤的情况下,对两者之间损伤识别效果的相互影响进行了研究。研究结果表明,本文提出的2种损伤识别指标,对空间复杂钢栈桥的易损下弦梁都有很好的损伤识别效果,2根下弦梁的损伤识别具有较好的独立性。     

结构损伤识别中乐音准则的应用及数学表达方法

为进一步明确乐音准则法的适用范围并提出相对应的量化的判伤标准,提高其应用性,选取了钢杆、钢框架及两组钢壳体模型进行了损伤识别实验,并综合其他符合乐音特征结构的频谱信息进行分析。结果表明:乐音准则法在判别构造简单、均匀规整的杆、索、板、壳类结构的损伤时有效;其频谱分布规律为各个谱线呈"梳齿状"展布,清晰有序,各阶频率按照一定规律分布;可以通过将各阶频率对应其模态阶数作为散点来拟合直线或者对数(指数)曲线的方法来判别损伤,将这种分布规律称为乐音准则法的数学表达。并由此提出乐音准则法的判伤步骤,该方法优点在于可以在没有完好结构作为损伤判别指标时进行损伤识别。     

地震强度指标选择对长周期钢结构余震IDA分析的影响

结构在主震作用下发生损伤,由于刚度和强度退化导致结构周期的延长,再加上高阶周期的影响,在随后的余震对主震损伤结构抗震性能的影响分析中,基于弹性周期的传统谱加速度可能不适用,有必要对地震动强度指标的选择进行进一步研究。本文以9层Benchmark钢框架为研究对象,选取10种地震动强度指标,分别从离散性和相关性两个维度对比分析了其在余震IDA分析中的优劣性。研究结果表明:与最大层间位移角相比,最大残余层间位移角更能够准确地量化主震对结构造成的损伤;对于钢框架结构,基于一段周期的几何平均谱加速度的IM_Boj&Lev指标是最优的地震动强度指标,相对于S_a（T₁）离散性降低了30%左右,相关性提高了6%左右。     

基于提升小波的框架结构损伤识别研究

提升小波分析方法可以将信号按任意精度进行分解,具有优越的时、频局部化性能。文中在提升小波分析基础上提出了框架结构的损伤检测和识别方法。首先将结构加速度响应信号进行提升小波变换,然后采用单支重构的方法获取细节信号,通过细节信号的突变特征识别结构损伤情况,并用悬臂梁的数值模拟和三层框架模型结构试验验证了所提出方法的实用性。     

基于时域相关分析的结构损伤指数

阐述了一种基于时域相关分析的结构损伤指数,并进行了该指数的实验研究,目的是探讨一种对损伤敏感的损伤识别方法。试验模型为具有4根柱子的2层钢框架,模型通过底部4根桩埋在土壤里。在底层柱顶端设置缺口代表损伤,设计了2种损伤,有限元数值模拟分析得到的基频变化率分别为0.42%和0.94%。采用激振器对底板进行正弦激励,激励频率为25Hz。利用顶板和中板响应计算该损伤指数,绘制了损伤指数及其变化率与结构损伤程度的关系曲线。结果显示,该指数对损伤敏感,具有进行损伤判定与标定的潜力。     

主余震序列型地震动作用下RC框架结构损伤耗能研究

强震发生后通常伴随着余震,余震的发生会加重结构损伤甚至引发倒塌。为了量化研究主余震序列型地震动对结构损伤的影响,以一栋3层钢筋混凝土框架结构为研究对象,选取了10条实际的主余震记录作为地震动输入,采用ABAQUS非线性有限元软件对该框架结构进行非线性动力时程分析,并依据结构局部和整体损伤耗能指标来评价主余震序列型地震动对框架结构累积损伤的影响。研究结果表明:序列地震会加剧结构底层柱的局部损伤耗能,特别是对底层中柱的影响更加明显;序列地震作用下的结构整体损伤耗能平均值相对于单主震作用下增加约30%;当余震与主震的第一周期谱加速度指标的比值Sa （T₁）_余震/Sa （T₁）_主震较大时,序列地震对结构损伤需求的影响更为显著。