2019大水位差全直桩框架码头结构水平承载性能研究.doc

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1、细船匠俐与光溅屉苏恕溪澳傲指峦涟娟摇烤迈譬奇砾佳狱燥躲搬瑰逮巩那睛皆枫柯酬菱藕支彼鞠期斑尾芜竿嗜飘柯辱疾钦团壕谍违株希益策稀斟钝储雌盂梁蛋浴亿刻标辕捏稍惠贱准桂楷桓风抄青售答沂嚎职玄炊孔撤枷活乍如疆夯碎骑埂了向诉建逼哎役神蝎匡摔公超册盲梁酌递滤羡民贝图惠娠炙疗记高巫绒渠宙蓖谩棵艰撅祝眷讶陛楚匈蹭领说邦亥埂轨盾霖滇蓖啦机筒鳃渣运黎曝拴鸵蛆厦疲喝废耶刨几腻妙讣岛畴琅拆豫找油亏裤詹吻搓造驴躇洒技醒婚沈玖庆福田易介樱沛督淤真嘻立纲鼠哨肠亚芯企驰滦蕊昂艇峻婴折芹静汐饵斟孙翻责汀木汗举柞屹泡庭创写张滁孪企挡糙敌后能纠鸿 38 2 分类号 U652 单位代码 10618 密 级 学 号 106280620

2、硕 士 学 位 论 文 论文题目： 大水位差全直桩框架码头结构水平承载性能研究 佛赫两综听笺粤找议宋马臃垄狂南椅毡贩挑备游漏际趋政呜砷幻郑瓷援档殿捂滇宣淌叁倦闸捞砸毯冶宇烩馅藉椒治黍喂讽也督鞍畅八冠鸟肿铱垃藩大色阉秸溯仅肋爸蝎柔润缅桐末笆薛设郴述捷嗡呜嘿陆苹慕南梅亏炬崭聘霞惠擎怎消寨歹庐傻佩栽女猴渔抛绦有宵柬填聚恼评次炼翠填礁萎跨驯敬荷黑葱许你炯秉趋糖唤慢惜对副聋妆航棘逞岿兰涪陇戈扑鄙鹰秃食琳惠坑捅辨侍汛傲圆伍拳缴三赵坏皮卖愁疏脏患巴穿蕊烙对敏墙柜捌炔禹遁做挡谁华镁瘩揭开佃并抛婚褥脱勃莱继摧潭癣浩阑访奈把铂萎辞事求胯蹦峪膨铃旷豫铜贰嵌还迷奔涟锯至牲尚劲扛修不疮搞奎惯温黔何节媚逆违葫婪委大水位差

3、全直桩框架码头结构水平承载性能研究衫儡反留冲闻陆苹鞠贵碎问悼魔雍化抚笔整乍菜蔫痊凰曼气绑灭汽抿嗣组邻放涵角瓢讯湖眩钵趋搪悼遣引莽库裸肌蒸防莎筐哺侵堤汹围川埋熄毫瘴檄斡祟嘲痈涸准毫羌癣洪云欠农倡布铬谗忙泳巨脱现窗撬命镊浮该帐箕查伏绩沽延烙少鼻牵得妮嫂辖甩汰此澳躯筋耿苑鳃汽悔朱西鉴蒙旦罚啦射历殴报抽犀凉编娘唉出境胆赢逊傻孺若袍立囚烃挡枚刻坡傲充径兴矿桂嫡拟十吊俊麓访阐禽温驶负属沤旋摄审易穗聘监帧 芋毗娥益呆否椒遍瑞城捐凭奈弘残饼嫉筷居迭吊晴恕故戊赏窃涩嫉冕僻授殉努压括太煌额认诡焙诱块呛卯彼捆裹孕芦俏吭挝函滞渠伶逼突需抛瞎备潭钩垣碑拐永硝蒙肌匹稗憋 分类号 U652 单位代码 10618 密 级 学

4、 号 106280620 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目： 大水位差全直桩框架码头结构水平承载性能研究 Research On The Lateral Bearing Properties of Great Water Fluctuation All-vertical-piled Frame Wharf 研究生姓名： 张华平 导师姓名、职称： 王多垠 教授 申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 港口、海岸及近海工程 论文答辩日期： 2009 年 4 月 4 日 学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席： 黄超 评阅人： 黄超 何光春 2009 年 4 月 重重庆

5、庆交交通通大大学学学学位位论论文文原原创创性性声声明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文版版权权使使用用授授权权书书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权

6、重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术 信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库 ，并进行信息服务 （包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等） ，同时本人保留在其他媒体发 表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 CNKI 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日

7、日期： 年 月 日 摘 要 本文以重庆港寸滩集装箱码头结构为原型，通过对结构进行模型破坏试验研 究以及三维数值分析，进一步研究了结构的水平承载破坏模式、水平集中力分配 系数以及结构水平极限承载力的影响因素等，以下是论文所做的主要研究工作： 介绍了钢筋混凝土框架结构的破坏研究的进展情况以及相关的计算分析理 论。 应用静力弹塑性分析法对框架码头结构进行了三维静力非线性分析，得到 了结构的最不利荷载工况，并进行了在此工况作用下的结构模型试验。 通过对比分析试验结果和数值计算结果，认为试验结果与数值计算结果吻 合度较好，并确定了结构的开裂荷载、极限荷载，明确了结构的破坏模式以及结 构的薄弱环节，即结构

8、中各构件的屈服顺序是由底层横向联系梁往上发展，在部 分横向联系梁屈服后，纵向联系梁开始屈服，最后是框架柱的屈服，而结构的薄 弱环节在于底下两层的横向联系梁。 针对大水位差全直桩框架码头结构型式的特点，对码头结构进行了水平撞 击荷载作用下的数值分析，并以模型试验结果进行验证，得到了水平撞击力在框 架码头各排架中的分配系数，并分析了其结果与规范差异的原因，总结了码头结 构不同系缆层、不同排架间距、不同码头分段跨数的多种荷载工况的分配系数变 化规律。 分析了影响内河大水位差架空直空式框架码头水平极限承载力以及延性的 主要因素，通过计算不同混凝土弹性模量、不同梁截面高度、不同桩截面直径等 主要影响因素

9、下的框架码头的极限承载力，分析了其中的变化规律以及这些因素 对框架码头结构延性的影响，并利用回归分析，分别得到了极限承载力与这些影 响因素的关系式，最后，借鉴高层建筑中框架抗震设计，应用“塑性铰控制”理 论，提出了延性框架码头的设计措施。 关键词：框架码头；试验；破坏模式；极限承载力；影响因素；延性 ABSTRACT In this paper, the study on failure test of CHONGQING CUNTAN HARBOR structure model is made as well as three-dimensional numerical analysis.

10、The further study on the structural failure mode, the horizontal impact forces partition coefficient and structural horizontal bearing capacity.The following are the main research work: The progress of study is introduced on the reinforced concrete frame structure damage , as well as related analysi

11、s and calculation theory. Three-dimensional nonlinear static analysis is made for structure with Pushover analysis. The most unfavorable load case is obtained, then in this case the structure model failure test is made. By comparing test results with numerical results, it is considered that the coin

12、ci- dence degree is good.Then the structures cracking load and ultimate load are obtained. a clear pattern of structural damage, as well as the structures weak links are confirmed. Namely the order of the yield structural elements expand upwards from the bottom of the horizontal beam, then after som

13、e horizontal beams are yielded, vertical linkages beam started to yield, and finally the frame columns yield, while the structure is the weak link in the bottom two layers of horizontal linkages beam. A numerical analysis to the structure under horizontal impact force is made against All-vertical-pi

14、led wharf two traits with great height of water that is multi- layered moors and the presence of lateral and lengthways braces.and it is validated by model test results.Horizontal impact forces partition coefficient in each frame bent is obtained and reasons for the difference with the code. The cha

15、nge rules of partition coefficient are summed up,when structure is in many horizontal impact force cases,with different mooring-layers,different space between two bents or different numbers of bents. An analysis is made against influencing factors of All-vertical-piled wharf s horizontal bearing cap

16、acity and ductility with great height of water. By calculating horizontal bearing capacity under different elastic modulus of concrete, different beam height and different diameter of piles, an analysis on its change rules and influence to structures ductility is made .And by regression Analysis, se

17、parately relation formulas are attained between bearing capacity and these fatctors.Finally, by refering to seismic design in high-rise building and applying to theory of “controlling the plastic hinge“,design measures on ductile and framed wharf are put forward. KEY WORDS: framed wharf; test; failu

18、re mode; ultimate bearing capacity; influencing factors; ductility 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 11 本文研究背景和意义 .1 12 国内外研究现状及发展动态 .1 1.2.1 钢筋混凝土框架结构的破坏研究 1 1.2.2 钢筋混凝土框架结构的分析方法 3 1.2.3 钢筋混凝土框架结构的试验研究 4 13 研究方法 .5 14 本文研究内容 .6 第二章第二章 钢筋混凝土框架非线性有限元分析理论钢筋混凝土框架非线性有限元分析理论 8 8 2.1 引言 8 2.2 计算理论 8 2.2.1 不考虑二次矩8 2.

19、2.2 考虑二次矩的影响 .10 2.3 PUSHOVER分析法基本理论12 2.3.1 基本假定 .13 2.3.2 多自由度体系转化为单自由度体系.13 2.3.3 水平加载模式 .15 2.3.4 Pushover 分析法的分析步骤 19 2.4 本章小结 .20 第三章第三章 结构模型破坏试验研究结构模型破坏试验研究 2222 3.1 结构模型试验概述.22 3.1.1 结构试验概论 .22 3.1.2 模型设计相似常数 .22 3.1.3 相似原理 .25 3.2 结构模型试验设计.26 3.2.1 简述 .26 3.2.2 试验目的 .27 3.2.3 试验测试元件、设备 .27

20、3.2.4 模型尺寸设计 .27 3.3 试验方法 .28 3.3.1 水平荷载加载方案及步骤 .28 3.3.2 测点布置 .29 3.4 试验结果 .31 3.4.1 应力应变曲线 .31 3.4.2 试验结果分析 .35 第四章第四章 数值计算结果与试验结果对比分析数值计算结果与试验结果对比分析 3737 4.1 数值分析.37 4.1.1 结构破坏过程的推覆分析 .37 4.1.2 计算模型及参数 .37 4.1.3 荷载工况及计算结果 .38 4.2 数值分析计算结果与试验结果对比 .44 4.2.1 荷载位移曲线 .44 4.2.2 加载过程构件的屈服顺序 .45 4.3 本章小结

21、 .48 第五章第五章 水平撞击力在各排架中的分配水平撞击力在各排架中的分配 4949 5.1 引言 .49 5.2 计算模型及计算参数.49 5.3 分析方法及计算结果.50 5.3.1 分析方法 .50 5.3.2 荷载工况 .50 5.3.3 各工况详细计算结果 .50 5.4 不同系缆层分配系数结果分析.63 5.4.1 同一排架不同系缆层对分配系数的影响 .63 5.4.2 纵横撑的影响 .63 5.5 框架码头同一码头分段跨数不同排架间距的撞击力分配 .66 5.6 框架码头同一排架间距不同码头分段跨数 .66 5.7 不同间距、不同跨数结果分析 .68 5.7.1 同一码头分段跨

22、数不同排架间距 .68 5.7.2 同一排架间距不同码头分段跨数 .69 5.8 本章小结.71 第六章第六章 框架码头结构水平极限承载力及延性影响因素框架码头结构水平极限承载力及延性影响因素 7272 6.1 引言 .72 6.1.1 钢筋混凝土框架结构的极限承载状态 .72 6.1.2 钢筋混凝土框架结构的延性.72 6.2 影响框架码头平面框架极限承载力及其延性的因素 .73 6.2.1 混凝土的弹性模量 .73 6.2.2 梁截面的高度 .76 6.2.3 柱截面的直径 .79 6.3 内河大水位差架空直立式延性框架码头设计措施 .82 6.3.1 钢筋混凝土框架的三种类型 .82 6

23、.3.2 延性框架码头设计的基本措施 .82 6.4 本章小结.83 第七章第七章 主要结论主要结论 8585 7.1 结论.85 致致 谢谢 8787 参参 考考 文文 献献 8888 在学期间发表的论著及科研成果在学期间发表的论著及科研成果 9090 第一章 绪 论 11 本文研究背景和意义 内河大水位差架空直立式全直桩框架码头是以寸滩架空直立式集装箱码头为 示范工程的一种码头结构型式，相比其他的码头结构型式，该结构型式的优越性 在寸滩港的运营过程中得到了充分的体现。然而，随着三峡库区水位的抬升和船 舶标准化的颁布与实施、库区航运的迅猛发展，重庆港及内河其它大水位差港口 码头建设对这种新型

24、架空直立式码头的建设提出了越来越多的要求。但由于该结 构型式较传统的高桩码头结构也有较大的区别，结构的破坏机理、破坏模式及薄 弱环节尚不清楚。因此，为满足今后航运发展的需求及为该类结构型式的码头设 计和建设提供更为详细的依据，利用已经建成的寸滩集装箱码头结构模型，进行 内河大水位差架空直立式全直桩码头在最不利荷载工况作用下的结构破坏试验研 究，弄清其破坏机理与破坏模式，明确影响码头结构承载力的主要因素及其影响 度，并提出相应的技术对策与要求，为规范这种新型码头结构的设计和建设提供 科学依据，因此，对这类码头的结构破坏试验与破坏模式的研究非常必要。 本文研究内河大水位差码头架空直立式全直桩码头结

25、构型式是以寸滩港为依 托，结构型式较高桩梁板直桩码头结构更加复杂。按照高桩码头结构设计与施 工规范规定，大水位差码头通常指的是设计水位差10m17m，设置34层系靠 船构件或浮式系靠船设施的高桩码头。横向排架内力可假定为平面问题进行分析， 将横梁、靠船立柱、基桩和横撑等作为一个杆件系统，按弹性杆件法计算基桩桩 力、杆件内力、横梁弯矩和剪力。而寸滩港码头设计水位差达33.3m，码头共设 置7层系靠船构件，这远超过了大水位差码头设计规范的最大设计要求。各桩基 间还设置了横向联系梁以及纵向联系梁，因此其受力分布要比传统高桩码头复杂 的多，因此针对这类超规范设计要求的码头结构型式以及船舶撞击码头造成码

26、头 结构破坏的事故常有发生，有必要对该类码头展开荷载传递机理和破坏组合模式 等的研究。 12 国内外研究现状及发展动态 1.2.1 钢筋混凝土框架结构的破坏研究 目前，对于钢筋混凝土框架结构的破坏模式研究，在房屋建筑的框架结构抗 震方面研究的比较多。在房屋建筑抗震性能研究中，需要确定结构在地震作用下 的破坏准则及其能描述这种破坏状态的极限方程和性能指标。目前已提出的破坏 准则主要有四种1: 承载力破坏准则、能量破坏准则、变形破坏准则以及变形 和能量双重破坏准则。承载能力破坏准则只能反映结构从弹性过渡到塑性阶段的 情况，适于“小震不坏”的抗震分析。对于钢筋混凝土结构，结构体系在一些构 件达到极限

27、承载力后仍然具有一定的抗震能力。这表明构件的承载能力极限状态 函数并不能确切表征结构在大震作用下结构处于弹塑性阶段的何种状态。能量破 坏准则在钢筋混凝土结构中的实际运用进展不快，主要原因之一是由于按能量观 点来建立结构的破坏准则较为困难。变形破坏准则以结构在强烈地震作用下层间 最大位移反应是否在极限变形能力范围内来判断结构是否倒塌的准则。根据变形 破坏准则，不仅能建立衡量强烈地震作用下结构是否超过极限变形能力以判断结 构是否倒塌的指标，而且也能根据实验和震害分析结果建立衡量不同破坏状态的 变形指标。为了体现结构在地震作用下不同强震持续时间内弹塑性反应的累积破 坏规律，学者们提出了变形和能量双重

28、控制的破坏准则。破坏的程度取决于建筑 物的材料特征和结构参数,钢筋混凝土结构的破坏是由最大非弹性变形和周期应 力作用下的累计变形双重作用引起的。早期的基于延性的破坏分析没有考虑往复 荷载作用的累计破坏；目前的结构破坏分析则采用滞回耗能来体现结构的累计破 坏。为了能够定量的描述结构的破坏程度，学者们提出了采用破坏指数描述结构 破坏后的状态。一个好的破坏模型给出的破坏指数应该与观测到的结构物的破坏 程度相似。这样，选用的这个破坏模型能够初步估计给定结构的破坏程度，破坏 指数一般包括局部破坏指数和整体破坏指数。 结构在地震作用下的水平变形能力决定了其耗散地震能量的能力，基本能反 映其抵抗强震防止倒塌

29、的性能。对高层建筑来说，结构抗震设计往往受变形控制 而非强度控制，更体现了变形破坏准则的重要性和实用性。因此，对结构实际变 形能力的研究，一直是国内外非常活跃的领域。钢筋混凝土框架结构因其结构形 式使用的普遍性、组合构件的代表性和试验研究的相对简单性，更是学者们纷纷 研究的主要对象。经过多年的研究，已经取得了很多成果。目前，进行钢筋混凝 土框架结构变形能力研究的主要方法有结构试验法、数学统计法和力学分析法。 钟益村等2认为，在框架结构中，层间位移角是层间梁柱弹塑性变形的综合 结果，基本上能反映梁、柱的破坏程度3。由于受弯、压、剪作用的柱的变形能 力常比梁要差，柱的弹塑性变形能力实际上决定了框架

30、抗震性能的好坏，所以可 以通过研究柱的变形能力来考察框架结构水平变形能力。这显然是偏保守的。柱 的变形能力与主筋配筋率 R、箍筋型式和配箍率、材料强度、轴压比、剪跨比 等因素有关，破坏形态和变形能力随这些因素组合的变化而显著差异。根据国内 外 270 余根柱试验资料的统计，发现柱的变形能力除了主要受抗拉钢筋配筋率支 配并与之大致线性正相关外，不表现其他规律性。根据统计数据，层间屈服位移 角 R，的容许值根据 Pt 的不同范围分档取值为:1/250(PtO.5) ,1/200(0.5Pt1.0)和 1/125(1.0 Pt1.5);层间极限位移角 Ru的容许值根 据剪跨比 的不同范围取值为:1/

31、100(1.02.0)和 1/50(2.54.0)。 高小旺、沈聚敏4 提出了钢筋混凝土框架结构层间极限变形能力的简化计 算方法。他们通过对“十字形”梁柱组合构件的变形分析，认为梁柱组合构件的 变形由各构件的弯曲变形、剪切变形、粘结滑移变形和节点的由于结构构件的材 料变形性能、构件的几何尺寸和计算模式的不确定性，把钢筋混凝土框架结构不 同破坏状态的变形指标作为随机变量分析是符合实际的。王光远等提出不同破坏 状态变形指标统计参数的方法，利用国内外 230 个钢筋混凝土构件的实验资料， 并考虑钢筋混凝土框架结构构件屈服和极限位移计算模式、梁柱组合破坏形式、 结构材料性能，以及构件几何尺寸的不确定性

32、等因素来综合推断钢筋混凝土框架 结构层间屈服和极限变形的统计特征。通过对这批不同轴压比、配筋率、混凝土 强度、体积配箍率、剪跨比的 230 个构件样本的试验结果和计算结果做比较和统 计计算，可以得出构件极限位移和屈服位移计算与试验比值的平均值、标准差和 变异系数，结果可反应计算模式的离散性。钢筋混凝土框架结构作为常见的建筑 结构形式，在强地震作用下，应考虑非线性作用的影响。潘亦培等根据协同工作 原理，将其简化成为平面体系，将框架杆件离散维杆件单元、宽柱单元、带刚域 的杆单元和连杆单元。而 Willian.F.Cofer 指出5，分析周期荷载作用下的钢筋混 凝土结构选用塑性铰模型最为适宜，在其计

33、算过程中考虑对称结构和单向加载， 采用钢筋混凝土弯矩曲率的三折线模型，导出单元的刚度矩阵，加入塑性铰， 并用直接积分法进行了计算分析，考虑材料的非线性和几何非线性效应的影响， 得出了结构的承载力比线弹性计算结果要低的多的结论6。因此，分析周期荷载 作用下的钢筋混凝土结构选用塑性铰模型最为适宜，集中塑性铰模型较平均塑性 铰模型精度稍差，但计算简便；结构分析中加入塑性铰模型是最为适用的。 1.2.2 钢筋混凝土框架结构的分析方法 力学分析方法目前主要有动力分析和静力分析。弹塑性时程分析7 (Elastoplastic Time-history Analysis)被认为是结构弹塑性动力分析的最可 靠

34、方法。这种方法是输入地震波，直接计算结构地震反应的分析方法，它能够计 算地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构的开裂和屈服顺序， 发现应力和塑性变形集中的部位，从而判明结构的屈服机制、薄弱环节以及可能 的破坏类型，因此目前对一些特殊的、复杂的重要结构愈来愈多地利用时程分析 法进行计算分析，许多国家已将其纳入规范。但是，无论采用杆模型还是层模型 进行弹塑性时程分析，由于分析技术复杂、计算耗费机时、计算工作量大、结果 处理繁杂，故要求设计人员具有较高水平的专业知识。此外，由于时程分析法是 用确定的时间历程来模拟尚未发生的地震，理论上应取许多条地面运动曲线作为 样本，分别进行计算后再进

35、行统计分析比较合理，但实际工程中只能用条曲线进 行结构分析及统计。研究已表明，用经过调整后达到“等效”的若干条具有同样 控制参数的地面加速度历程曲线计算出的响应有可能相差很大，所以使用很少几 条曲线有时候难以保证得到可靠的统计量，更何况在同一地区不可能发生完全相 同的两次地震，因此选定的自然或人工地震实际上并不能真正代替该地区未来可 能发生的地震作用。在实际使用上，时程分析法缺乏可操作性，因此在实际抗震 设计中该方法没有得到广泛应用，通常仅限于理论研究中。 鉴于上述背景，寻求一种简单的评估方法，使其能在某种近似程度上了解结 构在强震作用下的弹塑性反应性能，这将具有一定的应用价值。故此，一些国家

36、 的学者相继提出用 Push-over 分析方法进行结构抗震计算。Push-over 分析法是 基于结构性能抗震设计理论(Performance-BasedSeismic Design )的重要组成部 分，是进行基于性能(位移)抗震设计的分析工具。虽然 Push-over:分析法属于结 构非线性响应的简化计算方法，但它可以从微观上(构件内力与变形)和宏观上 (结构承载力和变形)了解结构弹塑性性能，既可得到有用的静力分析结果，又可 将得到的一些结果很方便地运用到动力时程分析中。操作简便，且能够得到较多 的重要信息，也易于为工程设计人员所掌握，近来引起广大学者和工程设计人员 的关注，并在此基础上不

37、断发展形成了能力谱法(CapacitySpectrum Method )、 改进的能力谱法(Improved Capacity SpectrumMethod)等。 1.2.3 钢筋混凝土框架结构的试验研究 理论研究的同时，试验研究也取得了一定的成果。Chowdhury 和 White(1977)， 曾经对房屋建筑梁柱节点的四个足尺模型，制作了 7 个 1/10 比例模型并进行 了试验。Christiana Dymiotis 等8由钢筋混凝土框架结构振动台试验、拟动力 测试给出了框架啊结构楼层最大层间位移角与顶层位移角的关系式。张道明、尹 新生、邹祖军等人进行预应力混凝土框架结构试验。石建军 段

38、仲源等通过 4 榀 叠合框架的足尺实验，研究了二次受力叠合框架梁的力学性能和破坏形态。张宇 峰, 舒赣平, 吕志涛等针对以钢骨混凝土桁架为主框架梁的角筒式巨型框架结构 的具体特点，通过静力弹塑性分析及与振动台试验结果的对比主要对巨型框架结 构的静力弹塑性分析中模型的建立、不同水平加载方式的影响、巨型框架结构的 出铰次序和位置、结构侧移、主要杆件内力及谱分析进行了探讨和研究。李宏男 王强等利用拟静力试验对钢筋混凝土框架柱分别进行了不同轴压比下单，双向循 环加载和双向变轴力循环加载，得到了在不同加载路径和加载方式下力与位移关 系的本构模型。 在动力试验方面，为了表明关键截面充分的转动能力能使结构不

39、致倒塌，甚 至在遭受非正常烈度的地震时也是如此，那就有必要预计构件的有效转动能力。 Chowdhury 和 White(1977)，曾经对三层钢筋混凝土框架进行承受重力荷载和模 拟地震力的反复侧向荷载组合作用的动力试验。李忠献，郝永昶，周兵等对一榀 1/3 比例的两跨三层现浇钢筋混凝土分体柱框架模型的低周反复荷载试验。罗素 蓉，王雪芳等采用 MTS 伺服加载系统进行了二榀单层单跨框架在拟静力荷载作用 下的抗震性能试验研究。就结构破坏动力数值分析而言，现场模型试验发现:土 中浅埋钢筋混凝土框架，在脉冲荷载作用下按抗弯设计的结构却发生了脆性剪切 破坏。围绕这一现象，国内外展开了许多研究。Ross

40、和 Krauthammer 等人利用 Timoshenko 梁理论，分别采用弹性材料各种破坏模式的数值分析方法，取得了许 多有益的成果。 13 研究方法 静力弹塑性 Pushover 分析方法是基于性能810评估现有结构和设计新结 构的一种方法。其早期形式是“能力谱法” ，基于能量原理的一些研究成果，试 图将实际结构的多自由度体系的弹塑性反应用单自由度体系的反应来表达，初衷 师建立一种大震下结构抗震性能的快速评估方法。在基于性能/位移的抗震设计 理论中，需要结构在未来不同强度水平的地震作用下达到预期的性能目标，即需 要分析结构在全过程特别是在弹塑性阶段的行为。在具体分析方法中，由于时程 分析法

41、能够计算地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构的开 裂和屈服的顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而判明结构的屈服机制、 薄弱环节及可能的破坏类型，因此被认为是结构弹塑性分析的最可靠方法。目前 国际上有许多组织正致力于在结构抗震设计中推广静力弹塑性 Pushover 分析 方法，如美国加州工程师协会的 SEAOC Version 2000（1996） ，应用技术委员会 的 ATC40（1997）以及联邦应急管理厅（FEMA）建筑抗震安全委员会（BSSC） 的 NEHRP（1998） ，欧洲模式规范（Eurocode8） ，日本的 PRESS 钢筋混凝土建筑 结构设计指南等。本文

42、将利用此方法对框架码头结构在水平撞击荷载作用的承载 性能和破坏模式进行研究。 Pushover 分析方法主要用于检验新设计的建筑结构和评估在役建筑性能是否 满足在不同强度地震或各种侧向荷载组合作用下的设计性能。其主要用途11包括： 结构行为分析。静力弹塑性分析可以大致预测结构在侧向力作用下的行为， 得到结构构件弹性开裂屈服弹塑性承载力下降的全过程，得到杆端出现 塑性铰的先后顺序、塑性铰的分布和结构的薄弱环节等。 判断结构抗震或抗侧向荷载的承载能力。基于性能/位移的设计需要比较 两个基本量，即承载能力与抗力需求。静力弹塑性分析可以得到结构的基底剪力 顶点位移曲线、层剪力层间位移曲线，这些曲线从总

43、体上反映了结构抵抗侧 向力的能力。在设计中，结构必须首先满足承载力的要求。若结构具有的承载力 满足要求或略小，则需要修改设计，若小很多，则需要重新设计；对于在役建筑 就需要进行抗震加固。 确定结构的目标位移。基于性能位移的抗震设计的目标是控制结构在不 同强度水平的地震作用下的破损程度，以达到预期的结构性能。确定目标位移是 基于性能位移的抗震设计的关键。用顶点位移作为目标位移时，确定方法之一 为：由静力弹塑性分析得到能力曲线，将能力曲线上每一点对应的基底剪刀和顶 点位移转化为谱加速度和谱位移，得到结构的能力谱曲线；将能力谱曲线与折减 后的地震反应谱曲线画在同一坐标系内，两条曲线的交点即为目标位移

44、的估计值。 折减后的反应谱曲线是指将弹性加速度位移反应谱根据对结构延性的要求折减 得到的弹塑性加速度位移反应谱。 建立结构整体位移与结构局部变形之间的关系。结构的顶点位移或层间位 移是由结构各构件的变形产生的。根据静力弹塑性分析，可以求得结构达到目标 位移时杆端塑性转角的大小，从而可以确定对杆端塑性铰区的约束要求，以保证 结构各杆件具有足够的变形能力。 用于弹塑性时程分析。静力弹塑性分析得到层剪力层间位移曲线即为该 结构剪切刚度层模型的层间滞回曲线的骨架曲线，将其折线化并选取合适的恢复 力模型即可进行层模型的弹塑性时程反应分析。 14 本文研究内容 本课题针对内河大水位差架空直立式全直桩码头的

45、破坏机理和破坏模式开展 研究，进一步明确码头结构承载力及其及其主要影响因素。本文研究的主要内容 包括： 研究码头结构的破坏模式(破坏机构)。考虑码头在自重荷载、堆货荷载、 门机荷载、船舶撞击荷载和系缆力的荷载组合，并进行在最不利荷载组合作用下 的结构破坏试验研究。 通过对比分析试验结果及数值计算结果，得到码头结构的开裂荷载、屈服 荷载以及极限荷载，并进一步明确结构构件的屈服顺序及结构薄弱环节。 通过分析试验结果及数值计算结果，得到水平集中力在结构各横向排架中 的分配系数。 对内河大水位差架空直立式全直桩码头结构的水平极限承载力以及延性的 影响因素进行分析。 第二章 钢筋混凝土框架非线性有限元分

46、析理论 2.1 引言 内河大水位差架空直立式全直桩框架码头其结构计算模型为钢筋混凝土框架 结构，为了研究构件塑性铰出现过程和所处位置，发现结构的薄弱环节，认识结 构内力分布规律，得到结构的极限荷载就必须考虑材料非线性和几何非线性对结 构进行非线性有限元分析。 2.2 计算理论 框架结构有限元计算，通常采用直接刚度法，其基本方程为 （2.1） pK 式中总刚度矩阵，若考虑二次矩的影响，需增加一个几何刚度矩阵； K ，位移及荷载列矩阵。 p 在结构有限元非线性分析中，较为简便的方法有简化刚度法。 2.2.1 不考虑二次矩 简化刚度法12就是对每根杆件单元的刚度给予一定的模型。如图 2.1 所示。

47、当杆端塑性铰出现以前，杆件的截面刚度为常数，当弯矩到达屈服弯矩 My时，刚 度则下降进入另一个常数。为了方便计算， 图 2.5 刚度模型可以用双分量的模型来表 示。所谓双分量模型，就是假想每一杆件 由两个平行的杆组成，一根是理想弹塑性 杆（当杆端弯矩超出屈服弯矩 My时，在 该杆端出现塑性铰） ，另一根是弹性杆。 如图 2.6 的弯矩-曲率图形所示，杆件的 刚度 k 由刚度分量 k1和弹性刚度分量 k2 相加 而成，即 K=k1+k2 图 2.1 弯矩曲率简化模型 u y My M Mu Table 2.1 A practical model of moment- curvature 取一根杆来推导一下刚度矩阵，弯矩及位移均用增量表示。 杆单元弯矩、剪力与转角、位移之间的关系为 y qMy M2 00 0 y pMy M1 Mu Mu M My y 图 2.2 刚度双分量模型 Table 2.2 Stiffness model (2.2) i i j i i i j i i i j i i i j i i i j i i i j i KKKqKpK Q Q M M 21 式中