风-地震作用下高层框-剪隔震结构多灾易损性分析

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tianwang782
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近年来,随着城市化建设和隔震技术的飞速发展,隔震技术的应用正在从中低层结构向高层结构慢慢延伸发展。2021年9月,我国第一部《建筑隔震设计标准》开始实施,对位于我国高烈度、高风压地区的高层隔震结构,抗震和抗风设计成为一个重要议题。综合其建设投资大、服役周期长等特点,高层隔震结构在全寿命服役期内受到长期风荷载作用的疲劳破坏及强风和地震等多种灾害的耦合破坏的可能性大大增加。而在现行的荷载规范中,对疲劳破坏的分析并不全面,在结构设计时也只考虑最不利荷载对结构抗灾性能的影响,很少考虑多种荷载耦合作用的影响,这种设计方法在多数情况下是可行的,但在高烈度、高风压地区,高层隔震结构极易产生长期风荷载作用下的疲劳损伤或强风和地震等灾害共同作用下的结构破坏,从而导致结构倾覆,对人们的生命和财产安全带来重大影响。故本文以某高层框-剪隔震结构为研究对象,分别对长期风致疲劳作用下的地震响应和地震易损性以及风与地震耦合作用下的动力响应和多灾易损性进行了分析。开展的主要研究内容和得出的主要结论如下:(1)描述了风的特性和模拟方法,选用线性滤波法和考虑受高度影响VonKarman脉动风速谱,模拟了不同空间点处的风速时程,并将模拟谱与目标谱进行了对比,最后对某地区疲劳风速的概率分布进行统计分析。结果表明:拟合得到的风荷载时程较为合理,利用Gumbel分布可以较好地拟合风速的概率分布。(2)基于OpenSees有限元分析软件,建立了高层框-剪隔震结构模型,并对其进行了8度多遇、罕遇地震以及不同重现期风的抗震、抗风性能研究。结果表明:地震单独作用下,上部结构类似平动,隔震支座利用较大变形消散地震能量,支座位移均满足规范要求,表明高层隔震结构在高烈度地区具有良好的隔震性能;风荷载单独作用下,不同强度的风引起的结构位移、加速度响应相差较大,表现出强烈的随机性。(3)分析了长期风致疲劳作用下高层隔震结构的地震响应,以及地震与不同强度风耦合作用时风对结构动力响应的影响规律。分析表明:考虑风致疲劳效应时,结构顶层加速度和基底剪力随支座疲劳程度的加深而降低,支座最大位移却显著增加。多遇地震与不同强度风耦合时,结构的位移响应随风荷载强度的增加而显著增加,风速越强,位移响应的增幅也越大;耦合不同风荷载作用后,加速度响应相差不大,甚至可能会减弱结构加速度响应。罕遇地震与不同强度风耦合时,位移影响最大,隔震支座发生超限变形;加速度响应主要受地震作用影响,受风荷载影响较小,二者耦合作用并未显著增加结构的加速度响应。(4)首先基于多维性能指标对考虑风致疲劳效应的高层框-剪隔震结构进行了地震易损性分析,然后利用多灾害需求模型,采用多灾害易损性曲面分析方法,对结构进行了多灾易损性曲面分析。结果表明:隔震支座发生风致疲劳损伤时,隔震层超越概率增大,导致结构整体超越概率增大。风与地震的耦合作用会增加结构破坏的超越概率,地震动峰值加速度和风速不断增加,结构不同极限状态的多灾易损性均明显增大,风和地震耦合效应不容忽视。对于高层隔震结构,隔震层失效概率一般高于上部结构,因此影响隔震结构易损性的主控因素是隔震支座的损伤。
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