地震作用下空间钢框架结构的连续倒塌可靠度分析

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国内外对于连续倒塌问题的研究更多关注于结构的抗连续倒塌性能,从整个过程出发分析结构遭受偶然荷载(爆炸、撞击、地震、火灾等)后的抗连续倒塌能力相对较少,尤其是结构在地震作用下的抗连续倒塌问题。在结构的可靠度理论研究领域,结构的承载能力极限状态及正常使用极限状态研究得较多,而对于第三种极限状态“连续倒塌极限状态”目前的研究几乎是空白。综合上述连续倒塌方面的研究不足,本文采用有限元分析与可靠度计算方法,以按照我国现行规范设计的空间钢框架结构为研究对象,分析地震作用下典型空间钢框架的连续倒塌可靠度及抗连续倒塌冗余度。本文各章节主要内容如下:(1)结构的抗震可靠度分析:从承载能力及变形能力两个方面分析地震作用下结构的抗侧向倒塌能力,并确定结构的失效构件。首先基于结构的不确定性随机变量,采用拉丁超立方抽样生成结构随机样本;采用ABAQUS软件进行有限元建模;建立承载能力极限状态方程及变形能力极限状态方程;根据构件抗震可靠度分析得到结构发生局部破坏的概率,并结合目标抗震可靠度,确定结构的失效构件。结果表明:随着地震作用等级的增加,梁柱构件的可靠度指标下降幅度增大,结构愈不安全;结构抗侧构件中边跨梁柱最不利,在大震作用下失效的可能性最大;梁柱构件在大震作用下的承载能力可靠度指标小于3.2,变化范围约在1.03.2之间;结构在大震作用下变形能力可靠度指标小于1.43,变化范围约在1.01.43之间;失效构件的可靠度指标变化范围在0.91.4之间。(2)结构的连续倒塌可靠度分析:包含发生局部破坏之后结构的连续倒塌条件可靠度及连续倒塌全概率可靠度。基于确定的失效构件,采用非线性动力拆除构件法,进行结构的连续倒塌分析;建立结构的连续倒塌极限状态方程;采用可靠度方法对受损结构进行连续倒塌条件可靠度分析;然后根据全概率定理,结合地震作用的危险性及失效构件的可靠度,分析结构在地震作用下的连续倒塌全概率可靠度。结果表明:连续倒塌条件可靠度指标均小于2.3;考虑地震危险性的结构连续倒塌全概率可靠度指标大于连续倒塌条件可靠度指标,连续倒塌全概率可靠度指标均大于4.7。考虑所有失效模式下结构发生连续倒塌的总概率最大值为8.5532×10-06,略小于倒塌概率限值,按规范设计的钢框架结构抗连续倒塌能力一般。(3)结构的抗连续倒塌冗余度分析:基于局部破坏之后结构的条件可靠度及全概率可靠度,建立结构及构件的抗连续倒塌冗余度指标,定量分析结构的抗连续倒塌能力及合理的荷载传递路径。结果表明:所有失效模式下结构的连续倒塌冗余度指标小于1.9,变化范围在1.61.9之间;根据悬链线机制目标可靠度,判断构件失效后与失效点相连框架梁的梁机制与悬链线机制的发挥程度,由于角柱不具备悬链线机制故失效后结构的抗连续倒塌能力最差。传力后框架柱的冗余度指标变化范围在1.01.2之间。
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