基于自适应等效单自由度体系的结构性能化抗震设计研究

Presently, both theories and procedures of inelastic response spectra and Pushover analysis are all based on the hypothesis of structural equivalent single degree of freedom(SDOF) system which is irrational to evaluate inelastic responses of structures for the reason that in the process the structural deformation shape is presumed a fixed shape which is controlled by elastic mode shape. Furthermore, the single performance index, structural maximal deformation, is considered for evaluation of structural seismic performance in the traditional displacement-based seismic design method, in which the accumulated seismic damages of structures are not considered. So, in order to solve the problems previously mentioned, the research contents of the project are listed as follows: (1) The theory of self-adaptive equivalent SDOF system is established, in which the changes of mode shape are considered. (2) Based on the theory of self-adaptive equivalent SDOF system, the theory of self-adaptive inelastic displacement spectra and energy spectra are established.(3) The improved self-adaptive Pushover analysis is presented. (4) A improved performance-based seismic design method according to self-adaptive equivalent SDOF system is established, in which the displacement demands and accumulated damage demands are calculated by the self-adaptive inelastic displacement spectra and energy spectra, respectively, the seismic capacity of structure is obtained by the improved self-adaptive Pushover analysis, and the effects of multi-modes on structural responses are considered.(5) Vibration table test is implemented to verify the theories established in the project.

目前，基于性能抗震设计中的弹塑性反应谱理论和Pushover分析理论等均是以等效单自由度体系假设为前提，而该假设在原理层面上存在一定不合理性。另外，以往的基于性能抗震设计大多是以最大位移的单一指标进行结构抗震评估，这种思路不能反映结构累积损伤的影响。为解决以上问题，本项目拟完成以下工作：(1) 建立考虑随结构振型变化的自适应等效单自由度体系理论；(2) 基于该理论，建立自适应等效单自由度体系的弹塑性位移反应谱和能量反应谱理论；(3)建立单向和往复的自适应Pushover分析方法；(4) 将自适应的弹塑性位移谱和能量谱理论与改进的自适应Pushover分析方法相结合，由前者获得结构最大变形和累积耗能需求，由后者获得结构的抗震能力，同时考虑多阶振型对结构反应的贡献，建立基于自适应等效单自由度体系的性能化抗震设计方法；(5) 通过振动台试验检验和修正所提出的理论。

目前，基于性能抗震理论中的非线性谱、Pushover分析等都是以阻尼系数不变的等效SDOF体系假设为前提。本项目考虑了等效SDOF体系进入非线性反应阶段后阻尼系数自适应变化的特点，旨在建立结构基于性能的抗震设计和损伤评估方法。主要完成以下研究工作：.(1) 基于自适应等效SDOF体系的强度折减系数谱和滞回能量谱：1) 建立了阻尼系数随塑性刚度自适应变化的结构等效SDOF体系理论，2) 在此基础上提出基于自适应等效SDOF体系的强度折减系数谱理论，给出对传统强度折减系数谱进行修正的η谱模型；3) 提出基于自适应等效SDOF体系的标准化滞回能量谱理论，给出了对传统滞回能量谱进行修正的δ谱模型。.(2) 考虑双向地震作用下的耗能需求研究：1) 基于SDOF体系建立地震输入能量谱和滞回能量谱，分析了相关参数对能量谱的影响。2) 基于单质点双自由度体系，建立双向地震下的地震输入能量谱和滞回能量谱，并与基于SDOF体系的能量谱建立比值谱，分析相关参数对其影响；3) 根据双向振型参与系数关系将作用于结构的双向地震动进行叠加作为结构等效SDOF体系的地震动激励，以此为基础建立考虑双向地震动叠加激励的滞回能量谱理论。.(3) 基于等效SDOF体系的结构地震损伤评估方法：1) 提出了一种改进的多维Pushover分析方法，2) 并通过Pushover分析方法估计楼层最大位移，结合滞回耗能分布模型估计楼层滞回能量，提出考虑变形和损伤的结构地震损伤评估方法。 .(4) 基于IDA方法的结构抗震性能评估和地震易损性分析：1) 提出一种基于结构等效SDOF体系的简化的IDA方法，2) 在此基础上给出了基于简化IDA的抗震性能评估和地震易损性分析流程。3) 另外，对考虑双向地震作用的IDA进行研究。.(5) 理论与试验结果的比较：为了检验提出的变形和耗能分布估计等理论的准确性，将理论分析结果与振动台试验结果进行了比较。由比较分析可知，理论结果与试验结果在趋势上比较一致，说明所提出的方法具有一定的准确性。