钢筋混凝土减震框架结构抗震全阶段阻尼特性演化研究

Damping characteristic is one of the most important elements in structural dynamic analysis, which varies significantly when the structural damage increases. Unlike many available researches on the degradation of stiffness and strength characteristics when structures developed into nonlinearity situation, only a few researches focus on the development of damping characteristics. This project therefore studies the developed damping characteristics of reinforced concrete frame structures with energy dissipating devices in the whole aseismic process. The main contents are as follows: (1) Based on the classical hysteretic model, the analytic expression of damping ratio in inelastic stage will be deduced. With the damage level characterized by plastic ratio, the damping characteristics will be researched. A further study will also be carried out to discuss the underlying relationship between structural damping ratio and componential damping properties. (2) Discuss the amplitude-frequency and time-frequency properties of seismic motions and their influences on the nonlinear performance of structures, then establish the analytical model between seismicity non-stationary and structural damping ratio. (3) Investigate the additional damping ratio and hysteresis damping ratio when structure developed into nonlinearity situation. Then the aseismic performance of reinforced concrete frame structures with energy dissipating devices can be readily assessed considering stiffness and strength degradation. This research will provide a theoretical support for the quantitative description of damping characteristics of reinforced concrete frame structures with energy dissipating devices, and will offer a scientific method to determine damping ratios for structural dynamic analysis and performance assessment.

结构阻尼特性是结构动力分析与状态评估的核心变量，从无损状态到受损状态，结构阻尼产生显著变化，目前研究大都关注结构非线性状态的刚度和强度特性，而对阻尼变化开展较少。项目进行钢筋混凝土减震框架结构抗震全阶段阻尼特性演化研究，内容包括：1）采用钢筋混凝土梁、柱和节点经典滞回模型求解其非线性阶段的阻尼比解析表达，研究构件阻尼与框架整体阻尼的物理关联，利用塑性率表征损伤程度，研究结构从弹性、开裂到严重损伤全阶段的阻尼特性演化规律；2）研究地震动幅值、频谱及时变特征对结构非线性响应的影响，构建地震动时频非平稳程度与结构阻尼的解析模型。3）研究减震框架结构进入非线性状态后，减震装置给结构附加阻尼比以及结构滞回阻尼比的变化规律，考虑结构刚度和强度退化，准确评估减震框架结构的减震效率及抗震性能。项目研究为减震框架结构抗震全阶段的阻尼特性的定量描述提供理论支撑，为结构减震动力分析与性能评估的阻尼比确定提供依据

钢筋混凝土框架结构具有抗侧刚度低、侧向位移大的特点，非常适合采用消能减震技术，故钢筋混凝土减震框架结构体系在地震高烈度区得到大量应用。在地震作用下，结构具有的阻尼性能对振动反应的剧烈程度以及结构在振动中的损伤程度都有重要的影响，因此合理评估结构的阻尼性能变得十分重要。目前，我国对于钢筋混凝土减震框架结构阻尼性能的研究还有欠缺，尤其缺少结构在抗震全阶段，从弹性、开裂到严重损伤各个状态中阻尼特征演化的研究成果。.本项目以钢筋混凝土减震框架结构体系为研究对象，建立通过钢筋混凝土框架梁、柱和节点的经典滞回模型求解其阻尼比的解析表达，研究滞回模型的各参数对构件阻尼比的影响。考虑构件不同损伤程度和损伤分布等因素，构建构件阻尼比与框架结构整体阻尼比的关联，研究在结构从弹性、开裂到严重损伤的抗震全阶段，框架结构整体阻尼比的变化规律。通过钢筋混凝土框架节点拟静力低周往复试验研究其抗震性能。推导了考虑地震动频谱特性并无需计算结构响应的附加阻尼比表达式，利用规范设计反应谱求出更加具有一般性的附加阻尼比图谱。结合我国设计反应谱，推导出加速度设计谱，以及位移设计谱下多种场地条件下的减震率公式，并作出便于工程应用的减震性能曲线。研究表明，黏滞阻尼器减震结构的等效总阻尼比随着有效周期或延性系数的增大而减小，结构屈服加速度越大等效总阻尼比越小；预制装配式钢筋混凝土框架节点的等效黏滞阻尼系数高于现浇节点；在已知位移性能目标的情况下，可通过位移性能曲线图得出满足位移减震率的目标阻尼比，再通过加速度性能曲线图得出与其对应的加速度性能目标。.本项目研究钢筋混凝土减震框架结构抗震各阶段的阻尼性能影响因素和变化规律，提出符合建筑结构阻尼机理的阻尼比表达式，并且对建筑结构设计中阻尼比的取值提出建议，为今后钢筋混凝土减震框架结构阻尼性能的深入研究奠定基础，提高了结构动力设计的可靠性。