对抗震规范中基于性能设计方法的研究

对中国新颁布的《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中的"建筑抗震性能设计"的参考方法进行探讨,以框架-混凝土核心筒结构为实例,运用广厦建筑结构CAD有限元软件GSSAP,分别对核心筒结构中布置的框架梁、剪力墙以及连梁等构件在不同性能要求下的承载力以及结构的层间位移进行了验算。结果表明:如欲满足规范中"建筑抗震性能设计"的参考方法中关于设防烈度地震以及罕遇地震作用下承载力的要求,结构的剪力墙、连梁构件的配筋量将急剧增加,出现严重超筋现象,在实际工程中很难进行施工,框架梁则没有发生超筋现象;如欲满足规范中给出的设防烈度地震以及罕遇地震作用下侧向变形的要求,剪力墙、连梁构件以及框架梁、框架柱的截面尺寸均需要进行大幅度增加,不符合经济合理的设计原则。     

某超高层结构罕遇地震弹塑性时程分析

某超高层办公楼位于抗震设防烈度7度地区,结构高度156 m,采用钢筋混凝土框架-核心筒结构,为B级超高层建筑。为了研究结构在罕遇地震作用下整体及主要构件的性能,分析结构在大震下的塑性发展情况,采用SAP2000程序进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析。分析结果表明,罕遇地震下,结构整体受力性能良好,结构的最大层间位移角满足规范1/100的限值要求,部分连梁及框架梁进入塑性,框架柱及剪力墙基本处于弹性状态;结构能够达到预设抗震性能目标,满足大震不倒的设防要求。     

RC框架-核心筒结构弹塑性分析模型与典型算例分析

在PERFORM 3D软件中,建立了基于纤维模型理论、适用于钢筋混凝土(RC)框架-核心筒结构抗震性能评估的弹塑性分析模型,并给出了非线性模拟中所需要的钢筋及混凝土材料本构、连梁剪切铰变形性能等其他参数建议取值。完成了多个RC框架及剪力墙构件模型试验的模拟分析,表明建议模型对于分析RC结构基本构件具有较高的准确性,计算效率高。利用建立的分析方法,完成了根据中美抗震设计规范分别设计的两座相似的RC框架-核心筒高层结构的建模和系列抗震分析。结果表明:峰值荷载前两个方案的基底剪力-顶点位移曲线比较接近,美方设计方案结构的初始刚度略大,峰值荷载后二者有所差异;模型结构的屈服次序依次为连梁、框架梁、墙肢、框架柱,屈服次序合理,符合预期目标,美方设计方案连梁屈服较早;在罕遇地震作用下,美方设计方案结构x向的最大层间位移角约1/220,为中方设计方案的最大层间位移角的0.9倍;美方设计方案的连梁变形状态介于生命安全状态(LS)与防止倒塌状态(CP)之间,中方设计方案连梁没有超过生命安全状态(LS);美方设计方案底部内筒外壁受拉侧墙肢弯矩沿层高分布略大于中方设计方案,两个方案底层墙肢边缘构件竖向钢筋的最大拉应变分布接近,均刚刚进入屈服水平。     

某双塔大底盘超限高层动力弹塑性分析

文章采用动力弹塑性时程分析方法评估某对称双塔大底盘超限高层结构在罕遇地震作用下的抗震性能和能力,了解其动力特性、屈服机制和破坏特征,并检验了关键薄弱部位的抗震安全性。计算结果显示该结构具有较强的抗震承载力,呈核心筒剪力墙连梁的＂梁铰破坏＂特征,达到了＂大震不倒＂的抗震设防目标。     

考虑层刚度变化的大底盘上塔楼层间隔震结构地震反应分析

为研究底盘刚度变化的大底盘上塔楼层间隔震结构地震反应,采用有限元软件Etabs建立三种底盘层刚度不同的大底盘RC框剪隔震结构模型,进行8度大震作用下的地震响应和构件性能状态分析。结果表明:与抗震结构相比,隔震后上部塔楼的地震响应减小69%以上,下部底盘的加速度相比抗震结构有一定的放大;当底盘抗侧移刚度减小,上部塔楼的减震效果有一定的降低,下部底盘的加速度放大较小;隔震后上部塔楼的梁、柱和剪力墙构件的变形性能状态得到了很大的改善,尤其是连梁构件。     

某带竖向收进超高层建筑动力弹塑性分析

对某带竖向收进的240 m超高层建筑进行了罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析,重点分析了核心筒、外框架、收进位置楼板的塑性开展和损伤情况.分析结果表明整体结构满足"大震不倒"的抗震设防目标,核心筒墙体在罕遇地震下性能良好,核心筒连梁出现了损伤,形成耗能机制,保护了核心筒墙肢;核心筒墙肢在剪力墙收进处受压损伤明显,个别墙肢...     

某超高层钢管混凝土柱框架-核心筒结构的抗震设计

通过一超高层钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构的抗震设计,给出结构的抗震性能分析结果及薄弱环节的加强措施。抗震设计除采用常见的小震分析方法和指标外,还研究中震下构件抗力与地震作用的关系,并与大震动力弹塑性时程分析的损伤情况进行比较。通过抗震设计发现,结构的层间位移角变化率反映弯曲型变形结构的竖向刚度变化,刚度急剧变化处的剪力墙在大震下易出现损伤;构件抗震富余承载力与地震效应之比揭示了结构的薄弱环节,钢管混凝土柱具有较高的富余抗力,而核心筒底部在拉弯内力下该比值偏低,大震下核心筒出现明显受拉损伤。     

珠江新城J2-5地块框架-核心筒超高层结构的罕遇地震弹塑性时程分析

针对具有带加强层、核心筒采用矩形钢管混凝土端柱+钢骨暗支撑+混凝土剪力墙、连梁内埋设钢骨、外框采用圆钢管混凝土柱等特性的广州珠江新城J2-5地块框架-核心筒超高层结构,运用ABAQUS+Bepta程序,将梁、柱和剪力墙的弹塑性在材料的应力-应变层次上精确模拟,采用显式积分的方法,对该结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,以研究该类结构体系的抗震性能.结果表明,基于塑性区模型的弹塑性时程分析是保证结构大震不倒的比较有效和可靠的方法,计算的实例工程采用的框架核心筒形式具有较高的抗震承载力和延性.     

深圳湾总部大楼罕遇地震作用弹塑性分析

深圳湾总部大楼为一栋高度为400 m的复杂超高层建筑,采用密柱框架 核心筒结构体系。密柱外框架由56根钢柱组成,梁柱连接采用完全偏心节点,外框架的刚度相对较弱。塔楼高区由于建筑体型收进,核心筒采用2层斜墙过渡收进。设计采用箱型钢梁和箱型钢柱组成密柱外框架,在核心筒剪力墙内埋设型钢加强,密柱外框架与核心筒剪力墙的抗震性能要求均提高至中震弹性。运用ABAQUS和BEPTA程序,将梁、柱和剪力墙的材料非线性在应力 应变层次上予以精确模拟,同时考虑结构的几何非线性,进行结构在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,研究结构在罕遇地震作用下的抗震性能。结果表明：密柱外框架具有较高的抗震承载力,可以起到第二道抗震防线的作用;结构的层间位移角满足规范的限值要求;密柱外框架与核心筒剪力墙的主承重构件均未出现明显损坏,结构具有较好的抗震性能。     

承载-消能双功能钢连梁在高层框剪结构中的设计与应用

剪力墙结构和框架-核心筒混合结构体系是目前高层建筑中普遍采用的结构形式。连接墙肢与墙肢的连梁以及框架柱与墙肢之间的深梁,常存在跨度小、截面大的特点。采用钢筋混凝土设计该类型梁,会导致连梁破坏严重,震后修复困难。结合某医院建筑,设计了一种承载-消能双功能钢连梁,既在多遇地震阶段提供刚度及阻尼,同时满足连梁对剪力墙的耦合结构作用。通过时程分析,研究了设有双功能钢连梁的高层框剪结构抗震性能。分析结果表明,多遇地震阶段可提供0.5%附加阻尼比,而罕遇地震阶段,双功能钢连梁可有效保护主体构件降低结构损伤。     

钢筋套筒灌浆连接装配式剪力墙结构三层足尺模型子结构拟动力试验

为研究钢筋套筒灌浆连接装配式剪力墙结构的抗震性能,完成了1个3层足尺模型在不同强度地震作用下的子结构拟动力试验,观察其破坏现象,研究其滞回特性、变形能力、刚度退化和钢筋屈服次序等。结果表明：试验模型的破坏集中在地震作用方向的连梁和窗下墙,连梁以弯曲破坏为主,窗下墙为剪切破坏,首层墙肢出现轻微的弯曲破坏;试验过程中,连梁纵筋、墙肢竖向钢筋及连梁箍筋依次受拉屈服,试验模型实现了“强墙肢弱连梁”及连梁“强剪弱弯”的设计目标;8度多遇、设防和罕遇地震以及9度罕遇地震作用下,试验模型的抗侧刚度分别降低约5％、20％、60％和80％,对应的最大层间位移角分别为1/3341、1/899、1/268和1/111,以层间位移角为参数,结构的破坏程度分别为完好、轻微损坏、中等破坏和倒塌;“预制底板出筋”和“预制底板不出筋”的双向叠合楼板均具有良好的整体性和平面内刚度,均可起到水平刚性隔板作用;墙体一字形截面竖向后浇段采用由2根U形钢筋组成的封闭箍代替普通箍筋具有可行性;预制夹心保温外墙的内、外叶墙之间连接可靠,外叶墙不参与结构受力,结构设计时可不考虑外叶墙的作用。     

砌体结构抗震评估研究

构造柱、圈梁和现浇楼板可增强砌体结构的整体性,是砌体结构的主要抗震构造措施,为反映砌体结构整体性的抗震作用,分析构造柱、圈梁和现浇楼板对结构整体性的影响,提出结构整体性系数的计算方法。基于汶川地震中大量多层砖砌体结构房屋震害的分析,建议了考虑砖砌体结构整体性系数和承载力指标的震害程度指标,它可作为结构抗震能力指标之一。建立了不同地震烈度下震害程度指标与结构破坏程度间的定量关系,根据上述的定量关系,获得震害程度判断值,分析烈度和破坏程度的变化对震害程度判断值的影响。最后进行多幢多层砖砌体结构房屋墙体破坏程度评估的分析与验证,结果表明：采用震害程度指标及震害程度判断值可以准确评估结构不同方向的墙体破坏程度,实现对砌体结构的抗震评估。     

设置可更换连梁的双筒体混凝土结构振动台试验研究

设置可更换连梁的结构,通过可更换连梁改变连梁塑性发展机制,将罕遇地震作用下的破坏集中于连梁中部可更换构件而两端连接梁保持弹性工作状态,震后更换损伤的构件便可快速恢复结构使用功能,符合可恢复功能结构的设计理念。设计制作两个1/5缩尺比的双筒体混凝土结构模型,通过振动台试验,对比研究了设置可更换连梁结构与普通连梁结构的结构振动特性及动力反应。结果表明,设置可更换连梁的结构前两阶自振频率随地震动幅值加大而下降的趋势一致;各楼层峰值加速度反应的变化规律基本相同,加速度放大系数基本保持一致;设置可更换连梁后结构的残余变形减小,震后残余位移最大值为1.26mm,对应的残余位移角最大值为0.14%,可恢复能力较好;混凝土连梁纵筋应变最大值始终比普通连梁结构小,可更换构件能够集中损伤,保证连梁混凝土部分完好;峰值加速度为0.8g的地震波输入前,墙根部纵筋应变减小。     

多连梁剪力墙抗震性能研究

针对剪力墙结构设计中容易出现连梁剪压比不足的问题,提出多连梁的设计理念,通过设置多个连梁代替传统单连梁的方式,可以有效增大连梁的抗剪面积与跨高比,明显改善结构的抗震性能。确定多连梁截面尺寸的基本原则是结构的侧向刚度与单连梁保持不变。对剪力墙结构在多遇地震作用下进行了详细分析,全面比较了多连梁与单连梁对结构动力特性、层间位移角、侧向刚度和构件内力的影响以及对改善连梁剪压比的作用。对剪力墙结构进行了在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,研究了多连梁剪力墙结构对最大层间位移角、塑性铰分布、抗剪承载力及结构非线性耗能能力的改善效果;采用非线性有限元法对连梁在往复地震作用下的抗震性能进行了研究。结果表明:由于多连梁跨高比大,其破坏形态从剪切破坏转化为弯曲破坏,构件的延性显著增大。     

西安火车站东配楼复杂连体结构振动台试验研究

西安火车站改扩建东配楼项目由三个平面不规则的单体建筑通过大跨度桁架进行连接,结构质量与刚度分布差异较大,且平动与扭转振动反应的耦联效应显著。为研究不规则连体结构的抗震性能,选取子结构进行了1∶10缩尺模型振动台试验,分析设防、罕遇及超罕遇地震作用下结构的破坏模式、动力特性以及加速度、位移、内力响应,评价连体结构的抗震性能。结果表明：在8度设防地震作用下,结构的自振频率呈线性退化,单体频率下降约20%。在8度罕遇地震作用下,框架梁端形成塑性铰,小三角区角柱首先进入塑性工作状态,各区频率降低超过了57%,实测层间位移满足现行GB 50010—2010《建筑抗震设计规范》要求。在9度超罕遇地震作用下,叠层桁架由于位移过大导致扭转效应显著,连接支座处发生破坏,但结构并未发生整体倒塌。连体结构的薄弱部位于第2层,小三角区侧向刚度较弱,建议在该区增设支撑或剪力墙。采用柔性连接能有效降低大跨桁架的地震作用,但面外扭转效应显著,受竖向地震作用影响较大。     

钢连梁-钢板混凝土组合剪力墙组合件抗震性能试验研究

为进一步提高联肢剪力墙结构的抗震性能,提出了一种改进型钢连梁-钢板混凝土组合剪力墙混合结构。通过对5个1/2缩尺连梁-墙肢组合件的低周往复加载试验,研究了钢连梁跨高比和加劲肋布置等因素对组合件抗震性能的影响。研究表明：组合件塑性变形均集中在易更换的钢连梁上,墙肢和节点部位损伤程度较低,有利于实现结构罕遇地震作用后的功能快速恢复;小跨高比（小于2）钢连梁发生整体的剪切屈服型破坏,可以更充分发挥连梁的整体塑性变形能力,具有比弯曲破坏型组合件更优越的抗震性能;所有组合件均具有优异的变形能力和稳定的滞回耗能性能;1/10位移角下,组合件承载力最大衰减量小于10%;加劲肋间距减小,可延缓钢连梁腹板和翼缘的压曲,提高组合件承载力和滞回耗能能力。     

摩擦摆隔震高层框架-剪力墙结构振动台试验研究

为了研究摩擦摆隔震高层结构的抗震性能,提出了摩擦摆隔震设计的具体流程,并设计了一栋12层的摩擦摆隔震框架-剪力墙结构。为考察其隔震效果,制作了相应的缩尺模型并进行振动台试验。基于试验结果,研究上部结构的楼层响应和摩擦摆隔震支座的位移响应,对比分析剪力墙下摩擦摆及框架柱下摩擦摆滞回性能的区别。研究结果表明：通过摩擦摆隔震,该框架-剪力墙结构实现了9度多遇地震弹性,设防地震、罕遇地震甚至超罕遇地震可修;结构的楼层响应显著降低,摩擦摆完全起滑后,地震强度越大,摩擦摆的隔震效果越好,且摩擦摆隔震支座具有良好的自复位能力;在9度罕遇地震作用下,剪力墙下摩擦摆发生了竖向提离抬升,对摩擦摆的滞回性能产生影响。     

Shaking table test study of high-rise frame-shear wall structure isolated by friction pendulum bearings

为了研究摩擦摆隔震高层结构的抗震性能，提出了摩擦摆隔震设计的具体流程，并设计了一栋12层的摩擦摆隔震框架-剪力墙结构。为考察其隔震效果，制作了相应的缩尺模型并进行振动台试验。基于试验结果，研究上部结构的楼层响应和摩擦摆隔震支座的位移响应，对比分析剪力墙下摩擦摆及框架柱下摩擦摆滞回性能的区别。研究结果表明：通过摩擦摆隔震，该框架-剪力墙结构实现了9度多遇地震弹性，设防地震、罕遇地震甚至超罕遇地震可修；结构的楼层响应显著降低，摩擦摆完全起滑后，地震强度越大，摩擦摆的隔震效果越好，且摩擦摆隔震支座具有良好的自复位能力；在9度罕遇地震作用下，剪力墙下摩擦摆发生了竖向提离抬升，对摩擦摆的滞回性能产生影响。     

某超高层办公楼结构抗震可恢复性能设计

以一栋超高层办公楼为例,介绍了工程结构的抗震性能目标及耗能装置耗能目标,将可恢复功能防震结构的概念从理论应用到实际工程中。在传统抗震结构布置的基础上,根据结构受力特点布置了BRB、软钢连梁、伸臂阻尼及阻尼墙等耗能装置,并进行了多遇地震作用下的弹性分析和罕遇地震、极罕遇地震作用下的弹塑性分析。多遇地震作用下的弹性分析结果表明,结构主要指标均满足规范要求;罕遇地震作用下的弹塑性分析结果表明,可更换构件及黏滞阻尼构件充分耗能,能够有效地控制结构的残余层间位移角及结构的损伤,结构整体具有良好的震后可恢复性能;极罕遇地震作用下的弹塑性分析结果表明,结构可达到“不倒”的性能目标。     

Seismic resilience design of a super high-rise office building

以一栋超高层办公楼为例，介绍了工程结构的抗震性能目标及耗能装置耗能目标，将可恢复功能防震结构的概念从理论应用到实际工程中。在传统抗震结构布置的基础上，根据结构受力特点布置了BRB、软钢连梁、伸臂阻尼及阻尼墙等耗能装置，并进行了多遇地震作用下的弹性分析和罕遇地震、极罕遇地震作用下的弹塑性分析。多遇地震作用下的弹性分析结果表明，结构主要指标均满足规范要求；罕遇地震作用下的弹塑性分析结果表明，可更换构件及黏滞阻尼构件充分耗能，能够有效地控制结构的残余层间位移角及结构的损伤，结构整体具有良好的震后可恢复性能；极罕遇地震作用下的弹塑性分析结果表明，结构可达到“不倒”的性能目标。