村镇砌体结构地震抗倒塌性能数值分析研究

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随着我国整体经济发展水平的不断提高,在广大村镇区域也存在着提高建筑抗震安全度的迫切需求。村镇砌体房屋多数都未经过严格的设计和施工,抗地震倒塌能力较差,面临严峻的地震灾害威胁。本文通过数值模拟方法,针对村镇典型砌体结构进行了地震抗倒塌性能研究和倒塌易损性分析,揭示了结构在地震作用大变形条件下的倒塌机理和倒塌模式,获得了结构倒塌易损性曲线。主要研究工作及结论如下:(1)基于通用有限元软件MSC.Marc,兼顾分析精度和计算效率,开发了可用于模拟村镇典型砌体结构强震作用下倒塌全过程的精细化有限元数值分析模型。对某二层砌体结构的振动台试验进行了弹塑性时程分析的数值仿真模拟,数值模拟和试验结果均显示出结构一层破坏更加严重,且破坏主要集中在一层门窗洞口的角部,验证了本文精细化有限元数值分析模型的可靠性。(2)针对我国广大村镇区域实际情况,建立了不同抗震构造措施的村镇典型砌体结构的精细化有限元模型,并采用有限元接触算法和生死单元控制技术进行了弹塑性时程分析,实现了结构的倒塌全过程模拟。通过考察各模型的破坏状态、位移反应、倒塌过程及倒塌模式等结果,分析研究了构造柱、预制楼板及楼板支承长度、完全无抗震构造措施、地震动形式等因素对结构抗倒塌性能的影响。(3)基于无约束砌体墙和约束砌体墙的I-K模型参数取值的经验方程,通过MSC.Marc软件自带的USPRNG子程序接口,编写层间弹簧的位移-力滞回关系程序代码,建立了单栋砌体结构的简化剪切层模型。进一步对本文砌体结构的精细化模型和简化模型进行了基于多点位移控制的Pushover分析,对比两者的能力曲线结果,发现简化模型计算得到的各特征点参数与精细化模型结果吻合较好,验证了本文简化剪切层模型的可靠性。(4)建立了不同抗震构造措施的村镇砌体结构简化剪切层模型,通过对各模型进行逐个输入23条地震动的IDA分析,并对分析数据进行了对数正态分布函数拟合,得到了不同模型的倒塌易损性曲线。根据平均倒塌能力指标,对不同结构的抗倒塌性能进行了量化评价,分析研究了构造柱、预制楼板及完全无抗震构造措施对结构抗倒塌易损性的影响。
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