不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究

地震作用下建筑结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目标.建筑结构需要足够的抗倒塌安全储备,以避免大震或特大地震的倒塌破坏.我国现行抗震设计尚缺乏大震抗倒塌定量设计方法和抗地震倒塌能力的定量评价指标.该文基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了按现行规范设计的不同抗震设防烈度多层RC框架结构的抗地震倒塌能力和...     

高耸钢筋混凝土烟囱抗地震倒塌能力分析

基于增量动力分析法,对高耸钢筋混凝土烟囱结构的抗倒塌性能进行了概率性分析,得到了结构的侧向倒塌地震易损性曲线,定量评价了烟囱结构的抗倒塌能力和抗倒塌安全储备。为了探讨土-结构相互作用对烟囱结构倒塌能力的影响,提出了适用于烟囱结构的土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型。研究表明:在7度罕遇地震(PGA=0.22 g)下,该烟囱结构发生倒塌的概率几乎为0%,能够满足规范规定的"大震不倒的要求。不考虑土-结构相互作用与考虑土-结构相互作用的结构平均抗倒塌能力分别为PGA=2.16 g和PGA=1.34 g,相应的结构倒塌安全储备系数分别为9.82和6.09。两种情况下,虽然烟囱结构的抗倒塌安全储备都比较大,但是土-结构相互作用显著削弱了结构的抗倒塌能力,其降低幅度达38%,因此,对于高耸钢筋混凝土烟囱,在进行抗地震倒塌分析时必须考虑土-结构相互作用。该文的研究结果可为烟囱抗震设计和地震风险评估提供理论依据。     

减震设计与抗震设计RC框架结构抗地震倒塌能力对比

与传统抗震设计不同,结构的消能减震设计通过在结构上设置减震装置以消耗地震输入能量,达到减轻主体结构地震响应的目的,在满足相同的设计要求下,减震设计结构由于阻尼器的耗能作用,其截面尺寸或配筋较抗震设计结构有一定的优化。根据我国抗震规范,按传统抗震方法和消能减震方法分别设计了一组钢筋混凝土框架结构。采用基于动力增量时程分析方法的结构抗倒塌易损性分析流程,对不同设计方法所设计的框架结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备进行了定量评价,并对计算结果进行了对比分析。根据分析结果提出了提高高烈度区减震设计框架结构抗倒塌能力的相关措施,并通过算例验证了所提措施的有效性。     

RC框架结构抗地震倒塌性能评估的简化方法

框架结构抗地震倒塌性能的定量评估近年来受到广泛关注,迫切需要建立一套抗倒塌性能评估指标,而且需同时具备实用性和可行性。该文从我国抗震规范的延性设计要求出发,分别考虑柱、梁抗弯承载力比和柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比等参数对结构抗倒塌性能的影响,并分析了二者对结构抗倒塌性能影响的相关性。结果表明:柱、梁抗弯承载力比对结构抗倒塌性能影响显著,柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比对结构抗倒塌性能也有一定的影响,且二者对结构抗倒塌性能的影响存在相关性。通过对这两个结构参数进行不同的调整组合,考察结构的抗倒塌性能,进一步建立了简化的抗倒塌性能评估指标,为框架结构抗倒塌性能的定量评估提供参考。     

不同抗震等级RC框架结构抗地震倒塌能力的研究

为研究抗震等级对钢筋混凝土（RC）框架结构抗地震倒塌能力的影响,根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）分别设计了不同抗震设防烈度和抗震等级的20个典型RC框架结构,应用动力增量分析法对框架结构进行了倒塌易损性分析,并对比了不同抗震等级框架结构的抗地震倒塌能力。结果表明:框架结构的抗震等级对其抗地震倒塌能力有重要影响,同一抗震设防烈度下,随着抗震等级的提高,其倒塌概率不断减小,倒塌储备系数（CMR）不断增大,框架结构的抗地震倒塌能力不断提高。框架柱的轴压比、纵向配筋率和体积配箍率是影响框架结构抗地震倒塌能力的重要因素。     

基于能力需求比的RC框架结构反应修正系数评定

我国现行抗震规范隐含的结构反应修正系数为一个常数R≈3.0,为了评定RC结构反应修正系数的取值是否合理,引入了反应修正系数能力需求比的概念。按我国现行抗震设计规范设计了不同层数、不同设防烈度的17个RC框架结构,基于OpenSees有限元平台,采用Pushover分析方法对结构进行抗倒塌能力进行分析,得到“临界倒塌状态”时的结构反应修正系数能力值;分别采用静力能力谱和动力能力谱分析方法,对结构在罕遇地震作用下的需求进行分析,得到反应修正系数需求值及其变化规律;进而得到反应修正系数能力需求比λ,其值均大于1,结构满足“罕遇地震作用下结构不发生倒塌”这一性能目标,且按VIII度设防设计的结构的反应修正系数较合理,按VII度设防设计的结构的反应修正系数偏于保守,按VI度设防设计的结构的反应修正系数过于保守,VI度设防时结构反应修正系数可以安全提高。     

不同CMR的RC框架结构地震损失分析

为研究结构抗倒塌储备能力对减小结构地震损失的作用,提出基于结构抗倒塌能力储备系数(CMR)的钢筋混凝土框架结构地震损失分析方法。利用IDA方法,确定结构在连续地震强度下的易损性,根据结构的破坏概率及易损性曲线计算地震经济损失。将结构抗倒塌能力指标CMR与结构在给定地震强度下的经济损失相结合,建立基于CMR的地震损失模型。对脆性及延性结构的倒塌特性和地震损失进行了系统地对比分析。通过四个RC框架结构分析,结果表明:地震损失评估与结构的CMR具有密切关系。在给定地震强度作用下,结构地震损失随CMR的增大而减小;CMR较小的结构随地震强度的增大损失增加较快,而CMR较大的结构则随地震强度的增大损失增加相对较平缓。所提出基于结构CMR地震损失评估思想可以作为量化地震损失评估较有前景的改进方法。     

不同设防水平钢框架结构抗地震倒塌性能研究

钢框架结构虽具有抗震性能优异的显著优点,但在强震作用下仍会不可避免的发生倒塌破坏,带来巨大的经济损失和人员伤亡。为保证钢框架结构的地震安全性,该文介绍了基于集中塑性铰模型的钢框架结构数值建模方法,进而基于增量动力分析(IDA)方法,开展了5个不同设防水平五层三跨钢框架结构的抗倒塌性能分析。结果表明:集中塑性铰模型可准确模拟钢框架结构的地震灾变过程,并能显著提升计算效率;相同平立面布局下,随着抗震设防水平提高,钢框架结构的倒塌变形能力限值不断增大,以相同层间位移限值评估相同平立面布局不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力并不合理;按我国现行规范设计的不同设防水平钢框架结构的抗倒塌能力满足“大震不倒”的抗震设防要求,但其抗倒塌储备系数随设防水平提高不断降低。     

基于易损性方法评估楼板对结构抗震性能的影响

结构地震易损性分析是评估工程结构地震灾害损失的关键。基于增量动力分析(IDA)方法和性能化设计理论,结合抗震规范对结构破坏状态的定义和限值的规定,得到结构抗震能力概率函数;应用IDA 方法,获得结构地震需求函数,提出了有效评估整体结构地震反应的基于性能的易损性分析方法。通过对一考虑和不考虑楼板作用的钢框架结构进行地震易损性分析,从破坏概率的角度进行破坏状态评估和地震风险性分析,得出楼板效应将导致结构延性和抗震性能下降、显著降低结构抗地震倒塌能力和改变倒塌模式等结论,为结构抗震设计、加固和震后地震灾害的损失评估提供参考。     

提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法

随着地震灾害的频发,高层建筑的抗地震与抗倒塌能力面临着新的要求与挑战,这就要求在高层建筑结构设计中,在保持结构强度与刚度要求的基础上,提升建筑结构的抗震性能与塑性能力,以实现对地震产生的能量进行有效吸收。文章围绕结构选型与布置等方面展开对高层建筑结构抗地震与抗倒塌能力设计思想与方法的论述。     

受压和受弯板延性系数和面向抗震设计的钢截面分类

对不同边界条件的均匀受压和受弯矩形板进行了考虑几何和材料非线性、残余应力、初始几何缺陷的非线性分析,得到压力-压缩曲线和弯矩-曲率曲线,确定不同通用宽厚比下板件的延性系数,提出各类板件的延性系数计算公式。根据计算地震力的结构影响系数的大小,提出了面向抗震设计的钢构件截面分类的方法,利用结构延性与截面延性系数的关系和该文得到的截面延性系数的计算公式,以及结构影响系数中是否包含超强系数,分别给出了各类截面板件的宽厚比分界。     

内嵌屈曲约束钢板剪力墙钢框架的性能参量及计算方法

钢框架延性好,但抗侧承载力和刚度较小,一般可加设钢板墙等抗侧力构件来达到结构的抗侧需求。屈曲约束钢板剪力墙是一种新型抗侧力构件,通过面外约束板的限制,钢板墙在剪力下不会发生屈曲破坏,因此其抗侧刚度、承载力和延性均较大。屈曲约束钢板剪力墙钢框架不但大大提高了原框架的刚度和承载力,同时还具备良好的延性。考虑到加设钢板墙后,框架梁的抗剪刚度与承载力可能不足,该文选取研究的屈曲约束钢板墙除了上下端与框架梁连接外,部分还与框架柱连接。对于这种新型内嵌屈曲约束钢板墙钢框架,该文从理论上详细推导了结构的抗侧刚度、屈服承载力等力学性能参量计算方法,得到了相应的理论公式。通过相关文献的试验数据对比,发现理论计算值与试验值很接近。     

Probabilistic seismic analysis of a steel frame structure

In this study we present a probabilistic seismic analysis of a steel frame structure to generate fragility curves and to investigate the correlation between the response modification factor and the system ductility factor. As an example, we use a five-story hypothetical steel frame structure located in New York City and designed according to the provisions specified in the ANSI standard A58.1-1982 and the AISC ASD specification. We quantify uncertainties in seismic and structure parameters that define the earthquake-structure system by choosing several representative values for each parameter. Then, by using the Latin hypercube sampling technique, we combine these representative values to establish 18 samples of the earthquake-structure system for probabilistic seismic response analysis. The nonlinear seismic analysis is performed by using the DRAIN-2D computer program.For fragility analysis, we define five limit states representing nonstructural damage to collapse of structure and then establish the probabilistic structural capacity corresponding to each limit state. From the probabilistic structural response and capacity, the limit state probabilities at various levels of peak ground acceleration can be computed and used to construct the fragility curves. For the response modification factor R_μ, we perform nonlinear and corresponding linear analyses of the 18 samples subject to earthquakes with various levels of peak ground acceleration. The correlation between the R_μ, factor and the system ductility ratio is presented. Note that this correlation is based on one steel frame structure. Additional studies are needed to establish appropriate R_μ factors for the design of steel structures.     

外套整体式加固砌体结构抗震性能试验研究

通过对一栋足尺5层砌体结构住宅模型实施外套整体式加固,梳理、总结该加固方法的工艺流程.为了考察加固结构在纵墙方向的整体抗震性能,对试验模型进行了多轮次拟静力和拟动力试验.依据试验结果对外套加固结构震前、震后纵墙方向的抗震性能进行了评估.试验及评估结果显示:加固后的钢筋混凝土剪力墙-砌体墙混合结构的抗侧刚度明显提升,抗震...     

不同改进形式钢板剪力墙滞回性能研究

钢板剪力墙的构造形式能够改善结构破坏模式、提高耗能能力及延性。为了系统全面地对比不同改进构造形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,利用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元数值模型,采用国内外已有拟静力试验,验证数值分析手段能够真实地预测结构的受力行为。通过建立8种不同改进形式的钢板剪力墙模型,对承载性能、滞回性能、退化特性、断裂性能、破坏形态以及耗能能力等问题进行对比分析,探讨不同改进形式钢板剪力墙的延性、平面外变形、拉力场对柱子影响等关键问题,为工程应用提供参考依据。分析结果表明:通过改变结构的构造形式,能够有效改善结构的滞回性能;在高烈度区需要综合考虑抗震性能、延性、破坏形态、建筑要求以及经济指标选取合适的钢板剪力墙改进构造形式;低屈服点钢板剪力墙由于其材料的特殊性,承载效率较高,耗能能力强,延性优势突出,但需要通过一定的措施抑制提早屈曲,提高侧向刚度。     

FRC框架结构基于等效单自由度模型的抗地震倒塌能力评估

为了快速评估建筑结构的抗地震倒塌能力,该文基于Adam等提出的等效单自由度模型,首先用Pushover分析方法对纤维增强混凝土(FRC)结构进行静力弹塑性分析,获得其基底剪力-顶点位移曲线,据此确定其力-变形关系;然后根据力-变形关系以及侧向位移形状函数,确定相应的等效单自由度模型的相关参数;按等效单自由度模型计算结构的抗地震倒塌能力。分别对某8层钢筋混凝土框架结构和FRC框架结构进行分析。结果表明:用与多自由度结构相应的等效单自由度模型评估FRC框架结构的整体抗地震倒塌能力是可行和偏于保守的;采用抛物线加载模式比倒三角加载模式得到更接近由IDA分析所得的结构抗地震倒塌能力中位值;在其他条件相同时,FRC框架结构比普通混凝土框架结构具有更高的抗地震倒塌能力。     

复合加固方形木柱的抗震性能分析

为了提高方形木柱的承载能力和抗震性能,提升古建木结构的抗震安全性,提出采用内嵌钢筋、外包碳纤维(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布复合加固木柱。通过方形木柱的低周往复荷载试验,研究了不同加固模式、钢筋用量、CFRP布加固量等因素对木柱抗震加固效果的影响;利用有限元软件OpenSees对复合加固方形木柱的抗震性能开展了数值模拟,通过数值模拟结果和试验数据的对比验证了有限元模型的可靠性;分析了轴向荷载、钢筋直径、CFRP布层数等参数对复合加固方形木柱滞回性能、侧向承载能力、延性性能、刚度退化以及耗能能力的影响。分析结果表明,内嵌钢筋可以显著提升方形木柱的侧向承载能力和耗能能力;外包CFRP布能够限制木材横向变形和内嵌钢筋的外凸,提高方形木柱的延性性能,延缓其刚度退化;复合加固能够大幅度提高方形木柱侧向承载力、延性及耗能能力,改善其刚度和强度退化,抗震加固效果显著。     

HPFL加固负载下有震损RC圆柱抗震性能的有限元分析

基于采用高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层(HPFL)加固4根钢筋混凝土足尺圆柱在不变轴力和周期水平荷载作用下抗震性能的试验研究结果,该文对试件进行了数值模拟分析,研究被加固柱的抗震承载力、延性、刚度、耗能能力等的性能特征。同时,还提出了可用于负载下有震损RC柱的加固方法和该类结构的抗弯承载力简化计算方法。在此基础上,利用新加固方法和有限元分析手段,研究影响负载下有震损RC柱抗震性能的主要因素,包括轴压比、剪跨比、横向网筋配箍率和配筋形式,研究表明:有限元模拟值、理论值和试验值吻合良好;采用HPFL加固后,构件的承载力、延性、耗能能力均有明显改善,刚度的退化速率明显减小,加固层纵筋锚入基座后,抗震性能的提升改善更加优越;随着轴压比的增加,承载力有较大的增长,延性发挥不足;剪跨比增大时,试件的承载力和延性降低;负载级差越大,后期变形能力明显越弱;采取螺旋配筋形式与采取环形配筋形式相比,两者初始刚度相当,前者延性更好,后者承载能力更高。     

Empirical formula for strength reduction factor based on artificial ground accelerations compatible with design spectra in Taiwan

In the seismic design of structural systems, an elastic design spectrum is reduced to an inelastic one by the strength reduction factor, which depends on the ductility capacity. All 1062 artificial ground accelerograms compatible with the design spectra provided in the Taiwan seismic design code are generated in order to acquire an empirical formula for predicting the strength reduction factor based on the ductility capacity and the natural vibration period. For a given ductility capacity, the variation of the mean strength reduction factor on the natural vibration period is minimal despite the differences in epicentral distances, site conditions, and return periods. Such a variation tends to be trilinear, where the two points of transition locate exactly at both ends of the platform in the target response spectra. On the basis of the mean strength reduction factors, an empirical formula is proposed. This empirical formula generally overestimates the strength reduction factors in the long-period region for a large ductility capacity, but offers conservative estimates elsewhere.