基于地震易损性和倒塌分析的高耸混凝土结构抗震性能评价及加固设计理论

High-rise concrete structure is one kind of long and flexible cantilever structure, and it can be used as chimney，radio and TV tower, navigation tower, petrochemical tower, exhaust tower and water tower. High-rise concrete structures may damage and even collapse under strong earthquakes because they have no multi-channel seismic defenses. Seismic fragility and collapse resistance analysis can provide a theoretical basis for seismic performance evaluation and strengthening design of high-rise concrete structures. Vertical seismic action and structure-soil interaction are almost ignored in the current study, and they have a significant impact on the seismic dynamic response of highly flexible high-rise concrete structures. Based on the shaking table tests, numerical simulation and theoretical analysis, this project aims at establishing the seismic fragility model, determining the damage failure criteria and seismic fragility index system, ascertaining the effect of structure-soil interaction, site conditions, vertical seismic action, strengthening method and area on seismic performance of high-rise concrete structures, such as the seismic fragility, damage evolution and collapse process. Then the strengthening design and analysis theory of high-rise concrete structures will be proposed based on the seismic fragility and collapse resistance analysis.

高耸混凝土结构为高柔性的长悬臂结构，常用于烟囱、广播电视塔、导航塔、石油化工塔、排气塔以及水塔等，由于不具备多道抗震防线，在强震作用下容易发生破坏，甚至可能倒塌。研究高耸混凝土结构的地震易损性和抗倒塌能力，可为这类结构的抗震性能评价及其加固设计提供理论依据。目前国内外对高耸混凝土结构抗震性能的研究几乎都忽略了竖向地震作用和结构-土动力相互作用，而竖向地震作用以及结构-土相互作用对高柔性的高耸混凝土结构的地震动力响应具有显著影响。本项目拟通过振动台试验、数值模拟和理论分析，建立高耸混凝土结构的地震易损性模型，确定高耸混凝土结构的损伤破坏准则和地震易损性指标体系，明确结构-土动力相互作用、场地条件、竖向地震作用、加固方法和加固区域对高耸混凝土结构的地震易损性、损伤演化规律以及倒塌破坏过程等抗震性能的影响，提出基于地震易损性和抗倒塌性能的高耸混凝土结构抗震加固设计与分析理论。

高耸混凝土结构为高柔性长悬臂结构，常用于烟囱、水塔，冷却塔、筒仓以及高墩桥梁，由于不具备多道抗震防线，在强震作用下容易发生破坏，甚至可能倒塌。基于本项目的研究，在以下几方面取得了一定成果：.（1）分析了高耸混凝土烟囱在多维地震作用下的地震易损性、烟囱不同部位的区域易损性以及地震波入射方向性和考虑土-结构相互作用对烟囱结构抗震性能的影响。.（2）通过振动台试验，在不同水准地震下的多条地震波激励下，研究了水塔模型在不同水位下的动力特性、加速度响应和位移响应; 得到了水塔结构的地震易损性曲线，比较了地震波维数对水塔结构易损性的影响；探究了不同地震强度下水塔结构的易损位置; 得到了多维地震作用下水塔结构倒塌易损性曲线，分析了水塔结构在不同维数地震波下的倒塌安全储备；提出了三种在支筒上开洞的改造方案，分析了开洞改造对结构动力特性与易损性的影响；针对开洞后的水塔结构，提出了局部加固与整体加固两种方案，研究了不同加固方案对结构性能的提升效果。.（3）得到了冷却塔结构的区域易损性曲线，通过对比损伤概率确定了结构的最薄弱部位; 研究了土-结构相互作用对冷却塔结构地震反应的影响，给出了相应的量化指标; 探讨了各种加固方法对结构地震反应的影响；对各加固方案进行了优化分析，针对冷却塔结构的设计和施工提出了合理化建议。.（4）对钢筋混凝土筒承式筒仓的贮料压力分布机制、不同贮料高度对筒仓结构减振性能的影响和筒仓结构地震易损性进行了研究。.（5）研究了圆形空心截面高墩大跨刚构桥的非线性地震响应特性及机理，对圆形空心高墩桥梁在地震作用下的弹塑性地震反应进行了分析和预测，对已有圆形空心高墩大跨刚构桥抗震性能进行了评估，探讨了抗震加固方法及其加固后抗震性能。.（6）基于车桥耦合仿真分析，提出了采用阻尼器、后加预应力拉索、后加钢支撑、改变结构支承体系以及通过体外预应力钢绞线及预制混凝土横隔板对铁路桥梁进行快速加固的方法，分析了不同方法加固前后桥梁的动力响应和共振响应。