强震作用下钢筋混凝土框架连续倒塌过程中的碰撞研究

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我国现行抗震设计规范针对“大震不倒”的抗震设计原则要求结构在罕遇地震作用下仍能保持整体稳定和保障建筑物内人员生命安全。在具体设计实践中,这一原则是通过验算薄弱层的弹塑性变形来实现。然而过于粗略的弹塑性变形限值掩盖了实际构件在强震作用下的复杂力学行为,同时未能就结构的实际临界倒塌状态给出清晰的界定。建立更加科学合理的抗连续倒塌设计方法的关键在于能够对结构在强震作用下经历的全过程力学行为给出准确合理的描述,尤其是接触碰撞分析这类核心和难点问题。  本文以力学分析和概念建模为主要研究手段,将连续倒塌分析与结构碰撞分析紧密结合,旨在揭示因结构碰撞而引发的整体连续倒塌过程,建立钢筋混凝土框架连续倒塌过程中的碰撞机理,为实现OpenSees分析软件的碰撞模拟及后处理提供理论支撑。  (1)对强震作用下钢筋混凝土框架中的节点和构件失效机理和内力重分布机制进行分析,揭示结构因坍塌发生冲击碰撞而引起的整体连续倒塌过程,分析钢筋混凝土框架柱在强震作用下发生侧移和缩短之后通过框架的空腹效应和梁的悬链线效应进行荷载重分布的过程、P-Delta效应对框架柱的影响以及上部结构对下部结构的冲击效应。  (2)选取Hertz-damp碰撞模型对结构连续倒塌过程中的地震落梁碰撞进行接触碰撞力学建模,建立了主动碰撞体与被动碰撞体的运动微分方程,主要包括:描述失效构件端部脱离时的初始运动状态;描述失效构件脱离主体结构后的运动轨迹;对失效构件与受碰撞构件间的接触碰撞问题进行建模。  (3)对框架结构的柱铰落层碰撞行为、整体坐层碰撞行为、边跨坍塌碰撞行为和中间跨落层碰撞行为进行分析讨论,将柱铰落层碰撞和整体坐层碰撞简化为两弹性质量球之间的对心碰撞,将边跨坍塌碰撞简化为弹性质量球横向碰撞在梁上的模型,并根据中间跨失效情况将中间跨坍塌碰撞简化成两弹性质量球之间的碰撞或者弹性质量球横向碰撞在梁上的模型,并确定初始碰撞状态,包括初始碰撞速度、碰撞点的位置和碰撞质量影响系数,建立地震落层碰撞的力学模型,接着就可以采用Duhamel积分表示主动碰撞体与被动碰撞体的位移,然后结合碰撞力表达式进行数值计算,采用MATLAB编程得出了压缩量时程曲线、碰撞力时程曲线以及碰撞力-压缩量关系曲线。
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