（工程力学专业论文）具有初损的高层钢框架结构抗风和抗震性能分析.pdf

d i s s e r t a l i o nf o rt h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r n g t h ea n a l y s i so nt h ew i n d r e s i s t a n ta n ds e i s m i cb e h a v i o r o fh i g h r i s es t e e l f r a m e c o n s t r u c t i o nw i t ht h e e a r l y d a m a g e c a n d i d a t e ： s u p e r 订s o r ： t b n g w e n g a n g p r o f w | a n gx i s h i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：d e c e m b e r2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 具有初损的高层钢框架结构抗风和 抗震性能分析 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 问题的研究意义4 1 2 1 强风对建筑物影响的研究意义5 1 2 2 地震对建筑物影响的研究意义5 1 3 国内外研究现状及分析6 1 3 1 风荷载对建筑物的影响6 1 3 2 建筑物损伤研究的现状8 1 3 3 地震作用对建筑物的影响1 1 1 4 本文的研究内容及目的1 3 第2 章理论基础一1 5 2 1 高层钢框架结构分析模型1 5 2 2 钢材的应力应变关系模型1 7 2 3 风荷载的计算方法。1 9 2 3 1 风荷载标准值1 9 2 3 2 基本风压1 9 2 3 3 风振系数1 9 2 3 4 风荷载体型系数2 0 2 3 5 风压高度变化系数2 0 2 4 结构的损伤诊断2 1 2 5 结构损伤模型理论。2 2 2 5 1 损伤类型2 2 2 5 2 损伤变量2 2 2 5 3 钢材损伤本构关系2 3 2 5 4 高层钢框架结构整体损伤模型2 4 2 6 结构地震反应分析方法2 5 2 6 1 底部剪力法2 5 2 6 2 振型分解法2 6 2 6 3 弹塑性静力分析法2 6 2 6 4 2 7 本章 第3 章高层钢框架结构有限元数值模拟3 0 3 1 有限元法3 0 3 1 1 有限元法介绍。3 0 3 1 2 有限元法的分析步骤3 1 3 2a n s y s 程序介绍3 2 3 2 1 单元模型的选择3 2 3 2 2 屈服准则3 4 3 2 3 流动准则3 5 3 2 4 强化准则3 5 3 2 5 收敛判断准则3 6 3 3 计算模型在a n s y s 中的实现一3 7 3 3 1 钢材的本构关系3 9 3 3 2 混凝土的本构关系4 0 3 3 3 边界条件及加载制度4 0 3 4 本章小结4 3 第4 章强风对高层钢框架结构的影响分析4 4 4 1 引言4 4 4 2 风荷载4 5 4 2 1 风荷载性质4 5 4 2 2 台风的选取4 6 4 2 3 风荷载标准值4 6 4 2 4 高层钢框架结构的风压4 7 4 3 结果分析4 8 4 3 1 结构无损伤状态下的抗风性能分析4 8 4 3 2 结构有损伤状态下的抗风性能分析5 5 4 3 3 结构损伤分析6 2 4 4 本章小结6 5 第5 章强风影响后钢框架结构抗震的时程分析6 7 5 1 引言6 7 5 2 时程分析输入的地震记录波6 8 5 2 1 地震波的选择和调整6 8 5 2 2 地震加速度波普6 9 5 3 高层钢框架结构的损伤情况7 0 5 4 结构模态分析7 1 5 4 1 高层钢框架结构的振型7 1 5 4 2 高层钢框架结构的自振周期7 3 5 5 结构的时程分析及结果讨论7 4 5 5 1 结构受地震作用后的位移分析7 4 5 5 2 结构受地震作用后的时程分析7 7 5 5 3 结构受地震作用后的滞回性能分析8 1 5 5 4 结构受地震作用后的塑性铰分布8 3 5 6 小结8 6 第6 章结论与展望8 8 6 1 本文主要结论。8 8 6 2 展望8 9 参考文献。9 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文9 l 致访i 。9 1 i 青岛理t 火学t 学硕i ：学位论文 摘要 随着我国现代化进程的不断发展，近年来我国东南部沿海地区的经济得到高 速发展，从而带动了高层建筑的飞快发展。我国东南沿海地区每年多次受到强风 的影响，并且台湾省和福建省处于我国主要地震带，因此，我国台湾省和福建沿 海地区的高层建筑会受到强风和地震荷载的威胁。目前，人们对既有高层钢框架 结构抗风抗震性能和反应分析的研究，一般只考虑高层钢框架结构无损伤影响的 情况，而较少考虑损伤因素对高层钢框架结构性能的影响。既有高层钢框架结构 在使用过程中会不可避免的产生损伤，在高层钢框架结构抗风抗震性能和反应的 分析研究中，如果不考虑损伤对高层钢框架结构的影响，势必会导致分析结果不 够精确。分析损伤对高层钢框架结构的影响，对于高层钢框架结构设计和现役高 层钢框架结构寿命的预测有着重要的意义。 本文建立了高层钢框架结构模型，假设高层钢框架结构抗风最薄弱位置产生 损伤，运用a n s y s 有限元软件对既有高层钢框架结构无损伤和有损伤两种状况 下的抗风抗震性能进行了分析。主要内容如下： ( 1 ) 介绍了本课题研究的背景以及意义，提出了用损伤观点来分析高层钢框 架结构的抗风抗震性能。综述了风荷载对建筑物的影响、地震作用对建筑物的影 响和建筑物损伤的研究等课题的国内外研究现状； ( 2 ) 基于高层钢框架结构具有非线性的特性，总结了结构分析的单元模型和 整体计算模型。介绍了强风对建筑物损伤研究的现状，给出了高层钢框架结构的 损伤类型，综述了结构地震反应分析方法； ( 3 ) 根据a n s y s 软件中的各种模块，建立了本文的分析模型和分析流程； ( 4 ) 运用a n s y s 分析了强风对高层钢框架结构的影响，包括无损状态下高 层钢框架结构在不同强度风荷载作用下的最大位移、最大层间位移等，对比分析 了具有初损状态下高层钢框架结构受强风作用后，结构的最大位移、最大层问位 移和柱底剪力、弯矩和轴力的变化情况。最后通过钢材的疲劳曲线，分析了应力 最大梁的端部损伤值的增加量； ( 5 ) 运用a n s y s 软件，对具有不同程度初始损伤的高层钢框架结构进行了地 震作用下的时程分析，并对比分析了处于不同工况条件下高层钢框架结构的最大 位 曲 关键词：钢框架结构；风荷载；地震荷载；损伤；静力分析：时程分析 a l o n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fl l i g h r i s eb u i l d i n g s o u rc o u n 时ss o u t h e 硒tc o a s t a l a r e 勰w a si n n u e n c e db ys t r o n gw i n d ss e v e r a lt i m e say e 札t 址w 锄p r 0 v i n c e 锄d f u j i 锄p r o v i n c ea mi nm a j o re a n h q u a k ez o n e t h e r e f o l l i g h - r i s eb u i l d i n g si n t 缸w a np r o v i n c ea n df u j i a nc o a s t a la r e aa r es u b j e c tt os t r o n gw i n da n de a n l l q u a k e l o a d st h r e a t s h o w e v e r t 0t h ee x i s t i n gh i g h - r i s es t lf r 锄es t m c t u r ew i n d - r e s i s t a n t 锄t i s e i s 商cp e r f o 姗a i l c er e s p o n s e 锄a l y s i sp e p l em a i n l yc o n s i d e r e dt h e i rn o - i n j u r y s i t u a t i o n ，b u tr a r e l yc o n s i d e r e dt h e i ri n j u d rs i t u a t i o n t h eu s eo fi l i g h r i s es t e e lf r a i i l e s t m c t u r e sw i l li n e v i t a b l yp r o d u c ei n j u r y ，i fw ed on o tc o n s i d e rt h ei n j u 巧o fh i g h r i s e s t e e lf t 姗es t m c t u r e ，t h er e s u l t so ft h e 锄a l y s i si sb o u n dt ob en o tp c i s e a n a l y s i st h e e 敝t so fd 锄a g eo nl l i g h r i s es t e e l - f r a j l l es t m c t u r ei sv e 巧i m p o n 锄tt 0t l l ed e s i g n 觚d m es e r v i c el i f eo fh i g h - r i s t e e l - f l r 锄es n u c t u 坞 i i lt h ep a p e r t h em o d e lo fs t e e l - f h m es t m c t u 化i ss e tu pb ya n s y s s u p p o s ei n t h em o s tv u l n e r a t ) l ep o s i t i o no fl l i g h r i s es t lf r a m es t m c t u r e sp 刚u c e dd 锄a g e ，a i l d 柚a l y s i s t h ee x i s t i n gh i g h r i s es 眦lf r a m es t m c t u 犯w i n d - r e s i s t a l l t 锄t i - s e i s r n j c p e 怕m 粕c eb ya n s y s ，t h em a j nc o n t e n t so ft h ep a p 哪硒f o l l o w i n g ： ( 1 ) 1 1 1 d d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d 锄dm e 锄i n go ft h ep a p c rf i r s t l y p u t f o n v a r dt h a t 锄址y s i si l i 曲一r i s es 晚lf r 锄w i n d r e s i s 劬t 觚t i s e i s r i l i cp e m m 锄c e w i t hd 锄a g ev i e w p o i n t ，s u m m 撕z e dt l l e 他s e a r c hs i t u a t i o n0 ft h ew i n dl o a d s ，t h e e a r t h q u a k ea n db u i l d i n gd a m a g ee f i e c t so nb u i l d i n g ss u b j e c t se t c ； ( 2 )s u m m a r i z e d e l e m e n tm o d e l 锄dt h eo v e r a l lc o m p u t i n gm o d e l，b 箍e do n h i g h - r i s es t e e lf | a n l e sn o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 删u c e dr e a r c hs t a t u s0 ft h e s t r o n gw i n d so nb u i l d i n gd 锄a g e 。g i v e nt h et y p eo fd a m a g eo fh i g h - r i s es t e e lf r 御1 f l e s t r u c t u r e ： ( 3 ) e s t a b l i s h e dt h e 锄a l y t i c a lm o d e l 锄da n a j y s i so ft l l i sp r o c e s s ；a c c o r d i n gt o t h ev a r i o u sm o d u l e so fa n s y ss o f t w a r e ： e t c u n d e rd i f f e r e n ti n t e n s i t yw i n dl o a d s c o m p a r e da n d 锄a j y s i s e dt h ec h 锄g e so f m a x i m u md i s p l a c e m e n t ，m a x i m u mb e t w e e n - n o o r sd i s p l a c e m e n t ，c o l u m n - l o ws h e a r ， m o m e n t 锄da ) 【i a lf o r c eu n d e rt h es t r o n gw i n de a r l yd a m a g e f i n a l l l y ，t i l r o u g h 锄a l y s i s i n gt h ef a t i g u ec u r v e so fs t e e l ，锄a l y s i st h ei n c r c a s eo fd a m a g ev a l u ea tt h ee n do f s 骶s s - m a ) 【i u mb e 锄i n 埘u d rc a s e s ( 5 ) w i t ha n s y ss o r w a r e ，m a d es e i s 埘ct i m e l l i s t o 巧锄a l y s i st ol l i g h r i s es t e e l f r a j i l es t m c t u r e sw h i c hh a v ed i f f - e 陀n tl e v e l i n i t i a ld 锄a g eu n d e rs e i s i l l i ca c t i o n c o m p a r e d 锄d 锄a l y s i s e dt h ea l ld e v e l o pp r o c e s s 0 fl l i g h - r i s es t e e lf r 锄es t n j c t u r e s s m a ) 【i m u md i s p l a c e m e n t ，m a ) 【i m u mb e t w e e n f l o o r sd i s p l a c e m e n t ，d i s p l a c e r n e n t 锄d t i m ec u n ，e ，s h e 盯a i l dt i m ec u r v e ，b a s es h e a r - t o pd i s p l a c e m e n th y s t c r e t i cc u r v e 锄d s t m c t u r a lm e m b e r sp l 孙t i cl l i n g e si nd i f 艳r e n tw o r l ( i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：s t e e l - 行鲫舱s t r u c m r e ；w i n dl o a d ；e a n h q u a l ( e1 0 a d ；d 锄a g e ；s t a t i c 锄a l y s i s ；t i m e - h i s t o r ya n a l y s i s i v 良好的延性等【i 】优点被广泛采用。框架体系是多高层钢结构的基本形式之一。 框架结构构造简单，易于施工，同时具有良好的延性和耗能能力，具有较好的抗 风抗震性能，因而成为了钢结构建筑的首选结构形式。目前，我国钢产量已稳居 世界首位，但是建筑用钢的比例还比较低，在未来几十年里钢结构将得到很大的 发展。新技术的飞快进步和新型建筑材料的不断涌现，使得高层钢框架结构建筑 正在向着更高、更轻、更柔的方向发展，高层钢框架结构建筑对风荷载、地震荷 载等水平荷载的敏感性进一步增强，高层钢框架结构建筑的抗风抗震性能日益受 到人们的重视。 我国位于太平洋西岸，拥有绵长的海岸线，袭击我国东南沿海地区的台风风 速可达4 0 一6 0 1 1 1 ，s ，对东南沿海地区人员的生命财产安全构成了严重威胁。我国是 世界上少数几个受台风影响最严重的国家之一【2 1 。风遇到建筑物时【3 1 ，将在建筑 物表面产生压力或吸力，这种风力作用称为风荷载。风速愈大，对结构产生的压 力也愈大，从而使结构产生大的变形和振动。建筑物如果抗风设计不当，或者产 生过大的变形会使结构不能正常的工作，或者使结构产生局部破坏，甚至整体破 坏。我国荷载规范根据以往实测记录【4 】给出了全国各地的基本风压分布图，如图 1 1 所示，其中我国东南沿海地区基本风压值较大( 如图1 2 所示) ，台风给当地 既有高层建筑物造成很大的安全隐患。 图1 1 全国基本风压分布图 图1 2 东南沿海基本风压分布图 由图1 1 和1 2 可知，我国东南沿海地区受强风影响非常严重，基本风压值 2 明显的高于其它地区，其中我国福建省沿海地区的基本风压等值线达到 o 9 圳m 2 。在我国荷载规范【4 】给出的各地基本风压值中，福建省福鼎和平潭地 区5 0 年一遇的基本风压值分别达到了1 o 圳m 2 和1 3 枷m 2 ；l o o 年一遇的基 本风压值分别达到了1 1 0 圳m 2 和1 6 0 枷m 2 。台湾省宜兰和马公地区，5 0 年 一遇的基本风压值分别达到了1 8 5 刎m 2 和1 3 0 枷m 2 ；l o o 年一遇的基本风压 值分别达到了2 3 0 圳m 2 和1 5 5 枷，1 2 ，由此可见强风对我国福建省沿海地区 和台湾省的高层建筑物影响非常大。 我国位于世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋 板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃，是世界上地震活 动水平最高、地震灾害最严重的国家之一。地震引起地面运动而使建筑物承受地 震荷载，在地震荷载作用下，建筑结构某一部分产生的内力或变形超过建筑结构 所能承担的限度时，就会出现轻重不同的损伤和破坏( 局部压碎、挠曲、裂缝、 错位等) ，直至倒塌。国内外历次地震中，均有大量的房屋倒塌，高层建筑倒塌 的事例也时有发生。结构倒塌是造成地震时人员大量伤亡的最主要和最直接的原 因，多次地震调查表明【5 1 ，建筑结构即使破坏十分严重，但只要未倒塌，就可能 造成较少的人员伤亡和财产损失。我国东南沿海地区的台湾省和福建省处于我国 主要的地震带上，当发生地震时既有高层建筑物的抗震性能是人们所重点关注 的。我国主要的地震带如图1 3 所示。 图1 3 我国主要地震带分布图 3 青岛理t 大学t 学硕l ：学位论文 由图1 3 可知，我国的台湾省和福建沿海地区处于主要地震带区域，台湾省 和福建沿海地区是我国的地震高发地区。从而可知，台湾省和福建沿海地区高层 建筑物会受到强风作用和地震作用的威胁。 高层建筑物在使用过程中由于各种因素的影响( 材料本身的原因；施工原因； 外环境影响的原因；外荷载作用的原因) 会不可避免的产生一定损伤，而目前在 对高层钢框架结构抗风抗震性能和反应的分析研究中，很少考虑损伤对高层钢框 架结构抗风抗震性能和反应的影响，这样势必会影响对既有高层钢框架结构抗风 抗震性能和反应结果分析的精度。因此研究具有初期损伤时高层钢框架结构的抗 风抗震性能，对我国的台湾省和福建沿海等受风荷载和地震荷载影响严重地区的 既有高层钢框架结构的安全性能有着重要的意义。本文以一栋1 4 层高的高层钢 框架结构为例，主要研究了高层钢框架结构在具有初期损伤的情况下，结构的抗 风抗震性能和反应情况。 1 2 问题的研究意义 随着地球气温的不断升高，台风发生的次数呈逐年增高的趋势，台风造成的 损失也越来越严重，例如2 0 0 5 年夏天袭击美国南部墨西哥湾沿海地区的“卡特 里娜飓风造成的财产损失在7 0 0 亿至1 3 0 0 亿美元之间。强风造成的破坏程度 不断加大，使我国沿海地区( 特别是沿海的地震区域) 的建筑物有必要重视强风 影响。经常受强风作用的高层建筑物，结构抗风的薄弱部位将会产生损伤。例如： 1 9 2 6 年，美国一座l o 多层的m e y c r - l ( i s e r 大楼【6 】在经历一次飓风袭击后，大楼 的围护结构受到严重破坏，钢框架结构某些部位发生塑形变形，大楼在整个暴风 中严重摇晃。当建筑物具有初始损伤后再受强风或者地震作用时，即使在外荷载 较小的情况下，结构也可能因为某些构件疲劳损伤达到某一限度从而产生结构整 体的破坏。例如：2 0 0 8 年5 月，在我国发生的汶川大地震中，北川县城具有初 始损伤的某8 层框架结构房屋在地震中完全倒塌，压成了“汉堡包【7 1 。因此， 研究考虑多种因素作用下建筑物的抗风抗震性能和反应，具有初始损伤高层钢框 架结构在风荷载和地震荷载作用下的破坏机理，对高层钢框架结构抗风抗震设计 参数的选取和现役高层钢框架结构寿命的预测有着重要的意义。 4 个左右。随着高层钢框架结构使用年限的增加，经历台风次数的增多，高层钢框 架结构的损伤累积将越来越大，高层钢框架结构在台风作用下的风振响应也就越 来越大，从而导致具有初期损伤高层钢框架结构的抗风性能下降。然而，目前在 既有高层钢框架结构抗风性能分析研究中往往只考虑风荷载的作用，而并不考虑 损伤因素对高层钢框架结构抗风性能的影响，这样势必会导致分析结果不够准 确。因此分析具有初期损伤高层钢框架结构的抗风性能，能更真实地反映我国东 南沿海地区既有高层钢框架结构的抗风性能。 1 2 2 地震对建筑物影响的研究意义 地震是一种危害性极大的自然灾害，堪称群灾之首，具有突发性、难以预测 性、范围广、破坏性大等特点。近年来发生的一系列破坏性地震( 1 9 9 4 年美国 洛杉矶北岭地震、1 9 9 5 年日本神户地震以及1 9 9 9 年我国台湾省集集地震等) 均 造成了巨大的经济损失和惨重的人员伤亡。2 0 0 8 年5 月1 2 日发生在我国四j i i 汶 川的8 o 级特大地震造成了大量砖混及混凝土房屋的倒塌和严重损毁，地质灾害 又进一步掩埋了震损的房屋，造成了巨大的人员伤亡和财务损失【引。尽管我国抗 震规范的第三阶段设防要求“大震不倒 ，但是在一些人员密集区域的建筑仍然 发生了严重的倒塌现象，给人民的生命财产造成了重大损失，这对抗震性能的研 究提出了新的挑战。 建筑物的正常使用寿命期内会在多种因素作用下产生损伤，日本神户地震及 其他地震震害调查表明，年代久远的建筑物受地震作用后一般损伤较严重，其原 因就是建筑物中已积累的损伤降低了结构的抗震能力。因此研究具有初始损伤高 层钢框架结构的抗震性能和震害机理对于减轻地震灾害具有实际意义。 综上所述，既有高层钢框架结构的损伤问题同显受到人们的重视，高层钢框 架结构的损伤在强风或者强震作用下会累积、演化，从而对结构的整体性与安全 青岛理t 大学t 学硕l ：学位论文 性产生极大的威胁。研究既有高层钢框架结构具有初期损伤情况下的抗风抗震性 能，对于未来高层钢框架结构抗风抗震设计参数的选取和现役高层钢框架结构寿 命的预测有重要意义。因此，本文采用理论分析和数值模拟等方法研究损伤对高 层钢框架结构抗风抗震性能的影响。通过考虑损伤因素对高层钢框架结构抵御强 风作用、地震作用的影响，使得受强风作用、地震作用后高层钢框架结构损伤和 破坏分析更贴近实际。 1 3 国内外研究现状及分析 1 3 1 风荷载对建筑物的影响 高层、超高层建筑的风致振动是结构设计的主要控制因素之一。通过研究风 对高层结构的作用机理，将风振响应分成：顺风向响应、横风向响应和扭转响应 来加以区别。大多数情况下，高层、超高层建筑的风振响应以顺风向为主，而顺 风向响应的大小也是工程上最为关心的问题。其中d a v e n p o r t 在六十年代基于准 定常理论提出的阵风荷载因子法，已经成为计算高层建筑顺风向抖振响应的经典 方法。对于高层建筑结构在顺风向风荷载作用下动力响应问题的研究，宋永发等 p 】在2 0 0 7 年根据性能设计的要求，提出了用于结构顺风向风振响应分析的广义 脉冲响应函数法，用来计算随机激励和结构响应之间的传递函数，并用动力可靠 度计算结构在脉动风荷载作用下的舒适度失效概率。宋永发等为进行高层建筑的 顺风向风振响应分析和舒适度研究提供了研究方法。 在风荷载作用下，顺风向可产生强烈的振动，而一般情况下，横风向振动的 量级要比顺风向振动小，但在横风向涡流脱落共振情况下，振动可达与顺风向同 一量级，甚至更大。横风向引起的结构振动可能无法满足强度和刚度的要求。 横风向风荷载与顺风向风荷载相比无论是在表现形式还是对结构的作用方面都 要更复杂一些。我国规范【4 】中关于高层建筑横风向等效静力风荷载的介绍较少。 在2 0 0 0 年，顾明等【io 】针对目前对横风向风荷载的研究远不能满足工程应用和规 范制定需要的问题，应用高频动态测力天平技术，对常见的1 3 种典型断面的超高 层建筑模型进行了不同风场条件下的风洞试验。主要研究了横风向风荷载，研究 发现外形和风场对风荷载有很大的影响，而长细比对无量纲风荷载的影响甚微， 6 青岛理下人学t 学硕l ：学位论文 并且给出的一阶横风向广义风力系数谱的拟合公式。 风荷载是结构工程设计中最主要的水平荷载之一。风荷载对建筑物的影响主 要为：使结构主体、围护结构和屋顶等受到损坏，使钢结构产生疲劳损伤等。强 风对建筑物的损坏最为严重，对于强风的研究，国内外的学者已经取得了很多研 究成果1 1 。13 1 ，以上学者的研究能够帮助我们对强风有更好的认识。 在强风带来灾害的研究中，发现近些年强风给人类带来的灾害越来越严重， 如图1 4 所示。美国政府对卡特里娜飓风的调查发现【1 4 】2 0 0 5 年8 月卡特里娜飓 风给墨西哥湾沿岸和内陆的居民房屋、商业和工业造成致命打击。其总的破坏程 度大大超过诸如1 8 7 1 年芝加哥大火、1 9 0 6 年旧金山大地震及其引发的大火。在 2 0 0 5 年，廖河山，黄诗福掣1 5 】分析了9 9 1 4 # 强台风对厦门市各类建筑工程及其附 属设施的影响。总结了建筑物受到台风作用的破坏情况，分析了此次台风区别于 上世纪5 0 至8 0 年代同类台风的新特点。廖河山等对建筑物受到台风作用破坏情况 的总结实我们能够更加清晰的认识台风给人类带来的灾难。 图1 _ 4 强风对建筑物的破坏 在强风对钢结构构筑物影响的研究中，国内学者对大跨度网架、桅杆、高层 建筑、钢结构拱、悬挑屋盖等多种钢结构构筑物受风荷载的影响进行了研究。在 2 0 0 6 年，瞿伟廉等【1 6 】根据在强风作用下，大跨度网架结构一般不易产生明显结 构损伤的现象，探讨了运用有限数量传感器对深圳市民中心屋顶网架结构的未知 损伤进行自动诊断的智能方法。桅杆结构是一种高柔结构，在风荷载作用下结构 响应非常复杂，邓洪洲掣1 7 】在2 0 0 6 年对桅杆结构特点进行分析地基础上，通过 总结桅杆的风洞试验及现场实测工作，给出了考虑响应宽带性及非g a u s s 性的疲 7 劳分析方法。2 0 0 6 年，杨柯，李秋胜，王冰笛等【l8 】基于有限元模型导出了多自 由度系统和实测台风数据，对深圳地王大厦进行了非线性数值模拟，并比较和研 究了振幅相关阻尼与一系列常数阻尼对各种强度的台风激励下结构响应的影响， 杨柯等的工作为研究超高层建筑借助阻尼系统抵御强风影响提供了借鉴依据。 2 0 0 8 年，叶志宏，丁勇【1 9 】通过有限元程序a n s y s 计算了一装饰性钢结构拱在风荷 载和重力荷载下的应力、位移、失稳形态以及稳定系数，验证了该钢拱完全满足 强度、刚度以及稳定性要求。大跨屋盖结构的风致振动与高层建筑有明显的不同， 大跨屋盖结构要计算空间结点3 个方向的风振力，必须考虑多阶振型的影响。同 年，牟国华等【硎对淄博体育中心体育场悬挑屋盖进行了精细的空间风振分析， 分析了屋盖的最大动位移和杆件最大动内力，同时给出了位移和应力两种风振系 数。牟国华对空间风振问题进行的精细分析为以后同类建筑结构的抗风设计提供 了参考。 在强风引起建筑物损伤方面，专家学者进行了大量的研究与实践，获得了丰 富的研究成果。在1 9 9 2 年，谢伟平、曹宏等【2 l 】对风荷载作用下结构的疲劳损伤 进行了分析，对风荷载作用下广义单自由度体系顺风向反应谱进行了计算比较， 提出了基于等效窄带过程法的抗风结构疲劳损伤计算方法，并用数值模拟法进行 了计算比较。2 0 0 7 年，王世村，杨晓强等【2 2 】采用随机裂纹扩展模型对高耸结构 的风振疲劳问题进行了分析，其考虑了平均风速的概率分布和时间相关性对裂纹 扩展的影响，并用z m n l 法模拟了相关的平均风速时程样本，而根据m o n t e c a r l o 法得出了裂纹长度的概率分布，王世村等对高耸结构风振疲劳问题进行的分析给 框架结构风振疲劳问题的分析打下了基础。2 0 0 8 年，俞剑勇等【2 3 】结合我国首座 海上风力发电项目，就设计中的钢结构疲劳问题进行了分析，为钢结构抗疲劳设 计提供了借鉴；王钦华，顾明阱】在钢质天线模型风洞试验结果的基础上，运用 疲劳累积损伤理论在频域上用等效窄带方法，计算出了钢质天线的疲劳寿命。 1 3 2 建筑物损伤研究的现状 损伤( d a m a g e ) 研究最初是从材料学开展起来的，损伤是指在外荷载和环境的 作用下，由于变形体内部细观结构的缺陷( 如微裂纹、微孔洞等) 引起的材料或结 8 青岛理t 人学t 学硕i j 学位论文 构的劣化过程。目前对结构损伤的评估可以从建筑材料、单个构件、整体结 构三个层次上进行讨论。在材料层次上建立了材料的损伤本构方程；在构件层 次上。主要在极限位移的超越和塑性累积损伤组合效应的基础上建立了构件损伤 评估模式；在整体结构的层次上，研究了结构损伤的组合方式和整体损伤指标的 确定。 对于损伤的研究大体经历了三个阶段，即传统疲劳阶段、断裂力学阶段和损 伤力学阶段。传统疲劳分析方法有将近2 0 0 年的历史。断裂力学分析方法的历史 不足一百年，但是发展很快。损伤力学是近2 0 多年发展起来的新兴学科，目前还 处于起步阶段，损伤力学的发展为疲劳分析提供了新的概念和方法。 建筑物在荷载、环境等因素的作用下，可能发生各种损伤，从而使结构无法 满足使用功能的要求，甚至导致结构整体破坏。这就要求我们要对结构的损伤进 行检测。结构损伤检测方法大致可以分为两类：局部检测法和整体检测法。典型 的局部检测法是无损检测法，局部检测法可对结构的一些特殊部位进行检测，而 对于复杂或大型结构，局部检测法很难对整体结构进行检测。全局检测法能够获 得结构整体的损伤状态，利用结构的振动测量信号进行结构损伤检测是目前国内 外研究的热点。 外荷载的增加或环境的作用都会使结构材料内部产生微观和宏观上的缺陷， 当材料内部含有这些缺陷时便认为结构受到了损伤。损伤存在一个由量变直至破 坏的过程。在这个过程中，损伤基元的存在和发展演化使实际的结构既非匀质， 也不连续。造成结构损伤的因素有很多，结构遭受强风、地震、爆炸以及火灾等 作用都会产生损伤。 上世纪6 0 年代，飞机制造业、航天工业开始利用结构的振动识别方法验证结 构有限元计算模型，随着计算机技术和现代测试与信号处理技术的飞速发展，结 构振动识别技术开始在土木工程中得到应用，并取得了良好的效果。利用结构的 振动响应和系统动态特性参数进行结构损伤诊断是近2 0 年来研究的热点。2 0 多年 前，c a w l e y 和a d a m s 【2 5 】就用振动的方法检测工程结构损伤的研究。在国内，苏启 旺【冽在2 0 0 5 年系统研究了既有建筑物产生损伤后，运用动力特性诊断参数识别 了建筑物的损伤情况。苏启旺的研究为建筑物的损伤研究提供了理论支持。在 2 0 0 8 年，段忠东，闫桂荣，欧进萍2 7 1 对近年来土木结构的损伤识别研究领域提 9 青| 岛理t 人学t 学硕 ：学位论文 出的很多方法进行了简要介绍，重点讨论了结构损伤识别方法在土木工程应用中 面临的挑战，认为结构模态参数的改变，既可能是结构损伤导致的刚度损失引起 的，又可能是环境条件的改变引起的。在2 0 0 8 年，徐龙河，刘向真【2 8 】提出了基 于结构振动特性的两阶段损伤诊断方法，根据提出的两阶段损伤诊断方法，采用 环境与力锤脉冲两种激励方式，对一两层空间钢框架模型结构进行了模拟损伤试 验研究。徐龙河等通过研究发现：两阶段损伤诊断方法能够有效地识别出结构损 伤单元的位置与严重程度。 利用结构模态对结构损伤进行识别的方法有很多种，例如时间序列法、随机 子空间法、随机减量法等。在2 0 0 8 年，薛景宏等【2 9 】以钢框架结构为研究对象， 分别选取了随机子空间法、随机减量法、时间序列法和自然激励法等四种方法对 框架结构进行损伤模态频率识别，经对比发现随机子空间法和随机减量法对一阶 频率识别精度高于其他两种方法。薛景宏的研究为结构损伤进行识别的方法的选 取提供了依据。另外，在对于损伤识别的研究中，孙增寿，范科举【3 0 】在2 0 0 9 年 通过提取小波能谱熵、小波时间熵和相对小波熵等结构损伤指标，利用数值模拟 和试验数据对各损伤指标进行了分析检验，表明基于小波熵的指标是一个比较好 的损伤指标。孙增寿等的研究为损伤指标的选取提供了依据。 从宏观的连续介质力学的观点来看，损伤可认为是变形体内部微细结构状态 的一种不可逆的、耗能的演变过程。通过定义出材料的损伤指标d ，并将损伤指 标d 引入到材料的本构关系中，同时确定材料的损伤阀值。在1 9 9 7 年，沈祖炎， 董宝掣3 l 】对国内外关于结构( 构件) 在地震和强风作用下的损伤累积分析研充成 果进行了分类和总结，指出了各类计算方法中存在的问题。在2 0 0 2 年，沈祖炎， 沈苏【3 2 】基于钢材在反复荷载作用下的损伤累积力学模型和损伤累积断裂准则， 采用改进的数值积分方法对钢构件的滞回曲线进行了计算机仿真，并建立了实用 的考虑损伤累积和断裂效应的钢构件恢复力模型。采用这一模型对具有损伤的空 间钢框架结构的抗震反应进行分析，并得到了振动台模拟地震试验的验证。沈祖 炎院士给出的损伤累积力学模型和损伤累积断裂准则为分析钢结构建筑物的损 伤提供了理论支持。在2 0 0 4 年，陈孝珍，张学军【3 3 】以结构损伤识别中的动力识 别为基础，通过把单元刚度修正系数作为待识别参数，综合考虑了各结构参数对 结构损伤的影响，并运用条件优化方法对单元刚度修j 下系数进行计算。陈孝珍的 1 0 青岛理t 人学下学硕i ：学位论文 研究验证了损伤因子对评估结构损伤情况的敏感性和有效性。 1 3 3 地震作用对建筑物的影响 2 0 世纪7 0 年代，国外出现了一种简单实用又比较可靠的静力弹塑性分析法 p u s h o v e r 分析法。p u s h o v e r 分析方法又称为静力弹塑性分析，它是通过对结构 施加沿高度呈一定分布的水平荷载，将结构推至某一预定目标位移或使结构成为 机构，从而评价结构在罕遇地震下的弹塑性变形性能。p u s h o v e r 分析法比现行抗 震规范中关于结构在罕遇地震作用下薄弱层( 部位) 弹塑性变形计算更进一步。随 着基于性能的抗震设计思想的发展，p u s h o v e r 分析法开始成为罕遇地震作用下 多、高层结构抗震设计的有力工具。在2 0 0 8 年，尹越等【3 4 】以交错桁架多层钢结 构为例，采用p u s h o v e r 分析法对其在e lc e n t r o 波作用下的地震反应进行研究。研 究表明，p u s h o v e r 分析法能准确地评价交错桁架多层钢结构的抗震性能。 钢框架结构在抗震设计中，一般应当遵循的设计思想是“强柱弱梁，强节点 弱杆件 【3 5 】冈，即在强震作用下，节点基于材料的延性，能够保证结构产生塑 性变形，在梁内而不是柱内产生塑性铰，通过塑性区的形成和转动耗散地震输入 的能量，使节点免于破坏，从而保证结构的整体性使其免于倒塌。然而1 9 9 4 年 美国北岭( n o r t m d g e ) 地区发生6 6 级强烈地震，1 9 9 5 年日本神户地区发生 7 2 级大地震，先后两次大地震死伤惨重，损失高达1 0 0 0 亿美元以上。在这两次 地震中，原本被认为抗震性能优越的现代钢框架结构焊接节点大量发生脆性断 裂，并未如人们期望的那样形成塑性铰以耗散地震的能量，保持结构的完整。震 后，世界各国就美国北岭地震和日本阪神地震中的梁柱连接脆性断裂原因进行了 研究，专家的调查研究发现【3 7 1 【3 引，尽管钢材具有较高的强度和良好的塑性与韧 性，地震中钢结构建筑物中仍然广泛存在梁柱节点的断裂现象，在框架还没有塑 性发展之前，梁端连接抗力远低于梁截面的抗力，连接焊缝首先开裂，进而发生 脆