基于损伤理论的砌体结构房屋性能化抗震设计研究
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摘要
砌体结构房屋作为一种整体性差、刚度大、抗震性能差且应用广泛的结构形式，抗震设计理论的更新与发展更显迫切。为顺应性能化抗震设计理论的发展，需要加强砌体结构性能化抗震设计方法的研究。
在此背景下，本文开展了砌体结构房屋性能化抗震设计研究。本文工作是以砌体结构房屋震害总结为出发点，以砌体结构损伤本构模型研究为主线，以砌体结构房屋性能化抗震设计和性态水准的定量划分为重点开展的。本文的主要工作如下：
1砌体结构震害总结与抗震设计方法的发展
根据大量震害资料，总结了砌体结构房屋震害中的共性问题。对抗震设计理论的发展和性能化设计的应用现状进行了总结，将性能化抗震设计思想引入砌体结构房屋抗震设计之中。
2基于损伤的砌体结构本构关系模型研究
基于细观损伤理论和数理统计方法，在应变空间中建立了砌体结构损伤本构模型。分析了损伤变量的演化规律，提出有效损伤发展阶段的概念。将损伤发展和本构研究结合起来，用细观损伤演化解释了砌体宏观力学行为的变化。该本构模型具有下降段和反弯点。通过试验数据验证，证明了模型的合理性。
3砌体结构抗震性态水准的定量划分
根据大量的试验资料和研究成果，对砌体结构房屋在地震作用下的抗震性态水准进行了划分，包括充分运行、运行、基本运行和生命安全四个水准。
用反应结构在地震作用下刚度退化和损伤发展的结构整体损伤参数对性态水准进行了定量划分，为砌体结构性能化抗震设计的实际应用创造了条件。
4反映结构刚度退化的损伤指标及损伤谱的建立
提出了反映结构刚度退化的损伤指标，该损伤指标通过结构在地震作用前后刚度比确定。提出了损伤谱的概念，即延性需求、能力曲线屈服后刚度比和损伤指标的函数关系。将损伤指标与非线性弹塑性反应分析指标结合了起来，使单自由度体系基于损伤的等效线性化非线性分析得以实现。损伤谱的建立为性态谱建立提供了理论基础。
5基于损伤的砌体结构性能化设计研究
基于损伤指标和损伤谱，建立了单自由度体系非线性反应的性态谱。性态谱由损伤指标、单自由度体系自振周期和弹塑性位移增大系数构成，能够综合反映单自由度体系在地震作用下的弹塑性位移增大程度和刚度退化程度，有效地将单自由度体系地震反应分析和结构位移、刚度变化结合起来。基于性态谱，提出了基于损伤的砌体结构性能化设计方法,该方法的基本体系是砌体结构层间剪切模型的等效单自由度体系，通过对该体系振动特性（周期和阻尼）的分析，得到位移反应和损伤指数，结合设定的性能目标，能够对结构进行抗震性能化设计。
提出了性态谱建立的流程框图和基于性态谱的性能化设计流程框图，并给出了砌体结构抗震性能化设计的工程实例。
Masonry structure puts up high stiffness, poor integrality and seismicperformance with the requirement of seismic theory updating． As theperformance-based design’s rapid development, it appears more important for studyon the performance-based seismic research of masonry structure．Based on thisbackground, the study concentrates on the damage constitutive model, whileproposing performance-level classification and performance-based seismic designmethod．The main research includes:
1Based on a great deal of seismic hazard information, the article proposes theprimary seismic problems．Meanwhile, concept of performance-based seismicdesign is suggested to be brought into the analysis of masonry structure by thesummary of various kinds of seismic design method.
2A damage constitutive model of masonry is created by meso-damage theoryand statistics method．After that, the article comes up with the concept of effectivedamage development stage and combines it with the damage model．Verification ofthe model has also been conducted.
3The division of the displacement performance level has been done by FEanalysis, while the vibration property has also been learned.
4Various masonry building models with different window openings andstructural measures have been created．With comparative study about pushoveranalysis and dynamic time-history analysis, model performance at different levelshave been learned in order to give the effect of holes and details and the model’svariation law.
5A kind of damage index reflecting the stiffness degradation anddamage-based performance level classification is given by FEM analysis. Based onthe index, a kind of damage spectrum is proposed by the research of damage indexversus static nolinear index. With the theory of nolinear SDOF displacement effect,damage-based performance spectrums and the design process is also found, while proposing a design example.
在此背景下，本文开展了砌体结构房屋性能化抗震设计研究。本文工作是以砌体结构房屋震害总结为出发点，以砌体结构损伤本构模型研究为主线，以砌体结构房屋性能化抗震设计和性态水准的定量划分为重点开展的。本文的主要工作如下：
1砌体结构震害总结与抗震设计方法的发展
根据大量震害资料，总结了砌体结构房屋震害中的共性问题。对抗震设计理论的发展和性能化设计的应用现状进行了总结，将性能化抗震设计思想引入砌体结构房屋抗震设计之中。
2基于损伤的砌体结构本构关系模型研究
基于细观损伤理论和数理统计方法，在应变空间中建立了砌体结构损伤本构模型。分析了损伤变量的演化规律，提出有效损伤发展阶段的概念。将损伤发展和本构研究结合起来，用细观损伤演化解释了砌体宏观力学行为的变化。该本构模型具有下降段和反弯点。通过试验数据验证，证明了模型的合理性。
3砌体结构抗震性态水准的定量划分
根据大量的试验资料和研究成果，对砌体结构房屋在地震作用下的抗震性态水准进行了划分，包括充分运行、运行、基本运行和生命安全四个水准。
用反应结构在地震作用下刚度退化和损伤发展的结构整体损伤参数对性态水准进行了定量划分，为砌体结构性能化抗震设计的实际应用创造了条件。
4反映结构刚度退化的损伤指标及损伤谱的建立
提出了反映结构刚度退化的损伤指标，该损伤指标通过结构在地震作用前后刚度比确定。提出了损伤谱的概念，即延性需求、能力曲线屈服后刚度比和损伤指标的函数关系。将损伤指标与非线性弹塑性反应分析指标结合了起来，使单自由度体系基于损伤的等效线性化非线性分析得以实现。损伤谱的建立为性态谱建立提供了理论基础。
5基于损伤的砌体结构性能化设计研究
基于损伤指标和损伤谱，建立了单自由度体系非线性反应的性态谱。性态谱由损伤指标、单自由度体系自振周期和弹塑性位移增大系数构成，能够综合反映单自由度体系在地震作用下的弹塑性位移增大程度和刚度退化程度，有效地将单自由度体系地震反应分析和结构位移、刚度变化结合起来。基于性态谱，提出了基于损伤的砌体结构性能化设计方法,该方法的基本体系是砌体结构层间剪切模型的等效单自由度体系，通过对该体系振动特性（周期和阻尼）的分析，得到位移反应和损伤指数，结合设定的性能目标，能够对结构进行抗震性能化设计。
提出了性态谱建立的流程框图和基于性态谱的性能化设计流程框图，并给出了砌体结构抗震性能化设计的工程实例。
Masonry structure puts up high stiffness, poor integrality and seismicperformance with the requirement of seismic theory updating． As theperformance-based design’s rapid development, it appears more important for studyon the performance-based seismic research of masonry structure．Based on thisbackground, the study concentrates on the damage constitutive model, whileproposing performance-level classification and performance-based seismic designmethod．The main research includes:
1Based on a great deal of seismic hazard information, the article proposes theprimary seismic problems．Meanwhile, concept of performance-based seismicdesign is suggested to be brought into the analysis of masonry structure by thesummary of various kinds of seismic design method.
2A damage constitutive model of masonry is created by meso-damage theoryand statistics method．After that, the article comes up with the concept of effectivedamage development stage and combines it with the damage model．Verification ofthe model has also been conducted.
3The division of the displacement performance level has been done by FEanalysis, while the vibration property has also been learned.
4Various masonry building models with different window openings andstructural measures have been created．With comparative study about pushoveranalysis and dynamic time-history analysis, model performance at different levelshave been learned in order to give the effect of holes and details and the model’svariation law.
5A kind of damage index reflecting the stiffness degradation anddamage-based performance level classification is given by FEM analysis. Based onthe index, a kind of damage spectrum is proposed by the research of damage indexversus static nolinear index. With the theory of nolinear SDOF displacement effect,damage-based performance spectrums and the design process is also found, while proposing a design example.
引文
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