罕遇地震下RC框架结构最大弹塑性层间位移的实用计算方法

准确预测罕遇地震下结构的最大弹塑性层间位移,是基于性能抗震设计的重要内容。该文针对一阶振型占主导的中低层RC框架结构,首先引入一种能简便有效判断是否能形成整体型屈服机制方法,降低RC框架结构出现薄弱层失效的可能性,减小由此所可能导致的弹塑性地震响应的离散性。然后在此基础上,基于一系列合理的假设,提出了针对具有整体型屈服机制RC框架结构的最大弹塑性层间位移及其均方差的预测方法,给出了预测公式和分析流程。与弹塑性时程统计分析结果对比表明,该文建议方法简便易用,给出的预测值与时程分析结果统计值的均值和方差都符合良好,可作为罕遇地震下RC框架结构最大层间位移计算的实用方法。     

基于氯盐最不利侵蚀下锈蚀RC框架结构时变地震易损性研究

基于一维Fick第二定律,采用DuraCrete规范中钢筋锈蚀初始时刻的概率预测模型,并基于概率统计的钢筋直径预测模型,计算不同龄期下RC结构中钢筋的锈蚀深度。基于修正斜压场理论并以锈蚀深度为单变量,对不同龄期下受压区锈胀开裂混凝土峰值应力进行计算;根据锈蚀深度对钢筋本构和Mander约束混凝土本构模型中相关参数进行了修正。于地震易损性模型中引入时间参数,建立含时间参数的RC结构地震易损性模型。最后,基于上述材料力学性能退化模型,采用基于力的纤维塑性铰模型,建立三层RC平面框架结构数值模型,并结合本文所提出的时变地震易损性模型,给出了三层平面RC框架0、5、10和15年龄期的易损性曲线和曲面。所提研究方法可用于既有RC框架结构生命周期内的抗震性能及损失预测分析。     

RC框架结构地震均匀损伤优化设计

地震均匀损伤失效模式是指结构在强震下各楼层的损伤大小相同、侧向变形近似,并具有全局化的耗能机制,是结构较理想的破坏模式。提出了考虑土-结构动力相互作用影响的RC框架结构地震均匀损伤优化设计方法。以结构层间位移角均匀化为目标,以梁柱构件截面配筋为优化变量,考虑材料成本约束和配筋率等约束,融合结构层间位移角分布和梁柱构件转角大小,提出了基于优化准则法的RC框架结构均匀损伤优化设计方法。基于非线性温克尔地基梁模型(BNWF),建立了能够考虑土-结构相互作用的RC框架结构分析模型。以两个5层和12层结构为例,研究了收敛参数对收敛速度和收敛稳定性的影响规律,分析了优化过程中各楼层配筋转移情况,对比了优化前、后结构的梁柱转角大小和层间位移角分布。结果表明,该文优化方法可使结构的损伤分布更加均匀,降低结构的最大层间位移角,提高结构的抗震能力。     

型钢混凝土异形柱框架结构平扭振动反应及地震内力分析

通过对5层实腹式型钢混凝土异形柱空间框架结构模型进行三向地震模拟振动台试验,获得了结构平动、扭转、平扭耦合动力特性,并对结构的多维地震反应、耗能能力、损伤程度、地震内力及平扭振动规律进行了综合分析。结果表明:模型结构前4阶自振频率对应的振型形态依次为X向平动、Y向平扭、扭转和Y向平动;随着地震强度的增加,型钢混凝土异形柱框架结构的自振频率不断下降,加速度放大系数逐渐减小,结构塑性变形不断发展,结构内部损伤逐渐累积,地震能量耗散不断增加,整体累积滞回耗能时程曲线呈台阶势跃迁;在历经0.80g地震作用后,模型结构平扭耦合引起的层间位移角最大值为1/39,超过弹塑性层间位移角限值要求,模型结构的变形和能量双参数模型损伤指数达到0.56;对比模型结构扭转效应发现,偶然偏心平扭耦合作用对模型结构的抗震性能影响较小,其偶然相对偏心距小于0.1;分析计算模型抗扭刚度、地震内力可知,在加载后期,随着水平侧移的增大,楼层的等效抗扭刚度退化并不明显,表明结构具有良好的抗震性能和抗扭变形能力。     

FRP加固非延性RC框架结构的地震易损性分析

对FRP加固非延性RC框架结构的地震易损性进行分析。以3层、6层和9层非延性RC框架结构为研究对象,针对三种不同的FRP加固方案,分别采用云图法和Pushover方法对结构的地震需求和抗震能力进行分析。通过对比FRP加固前后非延性RC框架结构的地震易损性,评估FRP加固方法对非延性RC框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:FRP加固方法可以有效提高非延性RC框架结构抗震性能。在所采用的FRP加固方案中,底层关键楼层加固方案对非延性RC框架结构的抗震性能改善作用最为明显。此外,FRP加固方法对非延性RC框架结构的性能改善作用与结构高度相关,结构越高,FRP加固效果越差。     

考虑锈蚀黏结退化的钢筋混凝土桥墩抗震性能分析

受氯离子腐蚀作用影响,钢筋混凝土结构的抗震性能在其服役期内会发生退化。以钢筋混凝土桥墩为例,采用OpenSees有限元软件模拟了非锈蚀足尺桥墩的振动台试验以及锈蚀缩尺桥墩的拟静力试验结果,后者引入了氯离子腐蚀作用模型,同时考虑了桥墩的纵筋力学性能衰减以及粘结退化问题。随后基于概率地震需求模型对足尺桥墩的三种纵筋腐蚀工况进行了易损性分析。研究结果表明:采用非线性梁柱单元与零长度截面单元串联方式建立的数值模型能够有效模拟钢筋混凝土桥墩的足尺振动台试验结果和缩尺锈蚀拟静力试验结果;当纵筋腐蚀率较小时,纵筋的性能退化对墩顶最大位移影响不大,但基底剪力和基底弯矩下降明显;轻微破坏状态下,桥墩的抗震性能受纵筋锈蚀的影响不明显,随着破坏程度的加深,纵筋锈蚀对桥墩抗震性能的影响逐渐显著,较小的腐蚀率能导致桥墩的破坏概率发生较为明显的提高。研究内容可为考虑全寿命周期内性能退化的钢筋混凝土结构抗震设计提供参考。     

RC框架结构多层次地震损伤演化分析方法

为掌握地震作用下结构在破坏过程中由材料至整体结构不同层次的非线性状态,基于单元耦合技术、多层次损伤性能水准、多层次地震损伤模型,提出了RC框架结构多层次地震损伤演化分析方法。根据耦合界面上能量平衡原理建立的单元耦合技术,能够同时准确计算结构整体力学性能和局部破坏细节,可用以结构多层次损伤数值模拟。按照“材料、截面、构件、楼层、结构”不同层次的破坏特征,提出了作为损伤性能评价标准的多层次损伤性能水准,且统一定义为五个水准。基于变形等价原理和广义力-变形曲线,建立了多层次地震损伤模型,其在各层次上具有一致的力学意义。以某原型RC框架结构试验为分析对象,详细阐述了结构多层次地震损伤演化分析方法。     

钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构非线性地震反应分析

钢-纤维复合筋是一种耐腐蚀、具有稳定二次刚度等特性的新型结构材料。开展了钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构的非线性地震反应研究工作,由复合筋的应力-应变本构关系出发,利用修正Gauss-Radau积分法推导了杆件单元柔度矩阵,并用于框架结构非线性时程响应分析。参考现行规范设计了一个8度区的普通钢筋混凝土多层框架结构和一个对比钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构,比较了两个结构在相同地震输入下结构自振周期变化率、非线性时程响应和杆端出铰时间和位置等抗震性能指标。结果表明:在多遇和罕遇地震动输入下,配置钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构的最大弹塑性位移与层间转角等指标比普通钢筋的框架结构有所减小;在罕遇水准的地面运动输入下结构自振周期变化率小于RC框架结构,结构刚度退化和损伤程度更小;杆端出铰时间相对更晚、数量更少且更易形成梁铰塑性耗能机制。钢-玄武岩纤维复合筋可充分利用材料的强度,通过合理配置钢筋与玄武岩纤维的比例能够有效控制框架结构的塑性变形、减小结构残余位移,从而减小重力二阶效应对柱的不利影响,改善结构在大震下的性能,确保大震不倒的安全性能目标。     

不同截面吊脚柱RC框架结构振动台试验研究

为研究山地吊脚RC框架结构的地震响应特征和抗震性能，设计并制作了一个1∶8缩尺的吊脚RC框架模型。通过振动台试验，对结构模型的破坏现象、动力特性、加速度反应、变形特征、楼层剪力和扭转效应进行了分析。结果表明：吊脚RC框架结构的吊脚层和第2层破坏明显不均匀，吊脚层破坏轻微，且坡顶短柱破坏较早，第2层柱底破坏严重，且破坏程度自坡底柱侧向坡顶柱侧递减，结构破坏主要位于吊脚层以上，最终表现为部分柱铰屈服破坏；激励水平大于罕遇地震时，吊脚层的加速度放大系数大于上部结构，楼层剪力的增大程度相对上部结构也更加显著，吊脚层变形不大，结构的最大层间位移角始终在3～4层；结构的最大层间扭转角随地震强度增加自第2层转移至吊脚层。     

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。     

防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架的实用设计方法

防屈曲支撑可以显著减小地震作用下钢筋混凝土框架的层间变形需求,该文提出一种新的防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架实用设计方法,以实现在增设防屈曲支撑的同时避免对构造措施不满足现行抗震设计规范要求的主体结构构件逐个进行局部加固这一抗震加固目标。首先提出层间承载力最薄弱柱和层间最弱塑性铰抗震思路来分别解决小震下结构构件承载力设计问题和大震下结构层间变形验算问题;然后给出了设计方法的具体设计流程;最后,将设计方法应用于一栋图书馆阅览楼抗震加固设计中,分析结果表明防屈曲支撑加固框架结构的承载力和层间变形均满足现行抗震规范要求,验证了提出的结构实用设计方法的有效性。研究成果可为防屈曲支撑加固钢筋混凝土结构的初步设计提供参考。     

基于遗传算法的钢筋混凝土框架-剪力墙结构失效模式多目标优化

该文提出了一种基于遗传算法（GA）的钢筋混凝土框架-剪力墙结构失效模式多目标优化方法。该方法以截面尺寸为优化变量,材料用量为约束条件,最大层间位移角及结构整体损伤指数为算法目标函数,利用基因序列的杂交及变异,实现有利基因的传递。将一5层钢筋混凝土框架结构简化为集中质量体系,验证了优化算法的正确性。以一10层钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例,运用增量动态分析（IDA）,确定其敏感地震动及相应峰值加速度（PGA）,并作为优化过程中的地震动输入。对结构进行静力弹塑性分析,得到其屈服及极限位移,用于计算整体损伤指数。提出了多目标最小值优化问题的线性加权方法,并评价各性能指标的算法收敛性。历经4代共654个随机样本的弹塑性时程分析,结果表明:该方法在不增加材料用量的前提下,使得结构最大层间位移角减少了16.3%,整体损伤值减少了20.8%,各极限状态的年超越概率降低,结构抗倒塌储备系数提高,有效改善了结构的抗震性能。     

直接基于位移的PPC框架性能水准量化及设计位移可靠度分析

在按照我国现行规范设计的16榀PPC框架的Pushover抗震性能分析的基础上, 对PPC框架性能水准的量化指标及DDBD法中设计位移的可靠度问题进行了研究。提出了结构基本完好、生命安全和防止倒塌三个性能水准的划分定义和以裂缝宽度、承载力指标等作为各性能水准的量化参考指标, 并以量化参考指标对应的层间位移角作为其最终的量化指标。同时, 将量化指标层间位移角做为抗力, 预期风险水平地震下层间位移角反应作为效应, 提出了一种以我国现行规范隐含的各性能水准可靠度为基础的考虑可靠度问题的简化方法。在某一性能水准下, DDBD法最终计算所得可靠度值β可视为一个与现行规范隐含可靠度值相对大小的量, 极大避免了计算用变异系数取值差异带来的误差, 且能满足同一性能水准的不同设计要求。     

考虑累积损伤退化及应变率效应的钢筋混凝土框架结构倒塌分析

该文研究考虑累积损伤导致强度和刚度退化及应变率效应的钢筋混凝土框架结构倒塌过程,基于有限元软件ABAQUS平台,开发了相应的显式分析梁单元用户材料子程序,并对钢筋混凝土柱的动态和静态加载试验进行模拟,对比验证了所开发程序的准确性。采用增量动力时程分析法,研究了多维地震输入下某六层框架结构的倒塌过程,对结构的顶点位移、层间位移、基底剪力进行分析。研究结果表明:考虑应变率效应,构件的承载力有一定的提高,但同时退化效应更加显著,因此地震作用下的结构分析应予以考虑率效应及退化效应;通过定义构件损伤和层损伤,可以明显确定结构的薄弱层及破坏路径,模拟在地震作用下的结构倒塌过程,并揭示结构的倒塌机理,对抗倒塌分析提供一定参考。     

基于耐震时程法的钢筋混凝土框架结构抗震性能评估

耐震时程法的典型表征在于随着时间的增加,地震强度逐渐增大。基于非线性最小二乘算法合成了基于我国抗震规范反应谱的三条耐震时程曲线。以两个5层和12层钢筋混凝土框架结构为例,分别对结构进行22条天然地震动下的增量动力分析和3条耐震时程曲线输入下的非线性分析,对比研究了结构在不同强度下的最大顶点位移、最大层间位移角、最大基底剪力和结构滞回耗能分析,比较了结构在大震时的最大层间位移角分布和最大楼层剪力分布。分析研究表明,耐震时程法能较好的预测结构的抗震响应,其分析结果离散性小,宏观上与多条天然地震动分析结果的中位值吻合较好。由于耐震时程法仅需进行一次时程分析便可获得结构不同强度下的抗震响应,计算效率高,计算精度较好,这为结构的抗震性能评估提供了一种新的有效方法。     

空腹式型钢混凝土异形柱中框架抗侧刚度试验研究

通过对1榀1/2。5比例两跨三层的空腹式型钢混凝土(SRC)异形柱中框架在反复荷载作用下的试验研究,分析了结构的弹塑性特征以及整体和层间抗侧刚度的退化过程。通过分析可知:空腹式SRC异形柱框架沿竖向的刚度分布较均匀;层刚度与整体刚度的退化均表现出由快到慢的规律;获得了层间位移角的变化与层刚度退化之间的关系;结构正、负向弹塑性性能接近,极限层间位移角大于规范规定的限值,抗倒塌能力强;空腹式型钢混凝土异形柱中框架的延性优于钢筋混凝土异形柱框架;结构破坏时可以形成梁铰机制,符合“强柱弱梁”的要求。     

塑性铰区采用高延性混凝土梁变形性能研究

为提高钢筋混凝土(RC)梁的变形能力,考虑在其塑性铰区采用高延性混凝土(HDC)代替普通混凝土。共设计6个剪跨比为3.6的RC梁试件,包含5个塑性铰区采用HDC的试件和1个RC对比试件。考虑HDC区长度、纵筋配筋率以及配筋方式和梁端配箍率的影响,研究试件在低周反复荷载下的滞回特性、变形能力及耗能能力。结果表明:与RC梁相比,塑性铰区采用HDC后,试件的破坏形态由弯剪破坏向弯曲破坏转变,延性和耗能能力均得到显著提高;纵筋配筋率、配筋方式相同时,在梁端塑性铰区采用HDC,试件的位移延性系数和极限位移角分别提高30%和53%,而同时采用HDC和箍筋时分别相应提高33%和76%;梁端局部采用HDC替换混凝土可减少箍筋用量;梁端塑性铰区的HDC长度对试件延性的影响较小。分别计算塑性铰区采用HDC梁在开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载、极限荷载时的顶点位移,其计算值与试验值吻合较好。     

基于剪力比的防屈曲支撑-RC框架抗震设计方法研究

该文提出了基于剪力比的防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构抗震设计方法。根据不同的剪力比α设置不同参数的防屈曲支撑并进行了多个不同层数结构的抗震设计;基于大震弹塑性时程分析,研究了不同剪力比结构的最大层间位移角和防屈曲支撑滞回耗能比随剪力比α的关系曲线,并得出剪力比α的合理取值范围为0.3 < α < 0.5。在剪力比合理的取值基础上研究了层间位移角最大值随不同刚度主体框架的变化规律,并建议了主体混凝土框架最大层间位移角的设计取值。该文所提方法简便、实用,为防屈曲支撑耗能减震结构的设计提供了一种新的思路。     

基于性能的偏心支撑钢框架抗震设计方法研究

偏心支撑钢框架的理想失效模式为每层耗能连梁均屈服,底层柱脚形成塑性铰,传统设计方法基于强度设计理论,很难保证结构的弹塑性受力状态。该文提出了偏心支撑钢框架基于性能的抗震设计方法(PBSD),该方法以结构的目标侧移和失效模式来预测和控制结构的非弹性变形状态,保证偏心支撑钢框架在大震作用下各层连梁均参与耗能,而其他构件仍保持弹性,即偏心支撑钢框架的层间侧移趋于均匀,避免结构薄弱层的出现,便于偏心支撑钢框架的震后修复。依据PBSD方法分别设计了10层K形和Y形偏心支撑钢框架算例,采用静力推覆分析和非线性时程分析验证该设计方法的合理性,分析结果表明:依据PBSD方法设计的偏心支撑钢框架的极限状态接近于理想整体失效模式,即结构非弹性变形主要集中在耗能连梁中发生,且各层连梁均参与耗能,没有薄弱层出现。该方法为偏心支撑钢框架的工程优化设计提供了参考依据。     

带施工缝RC框架结构抗震性能的数值研究

对7度、8度、9度区的规则RC框架结构进行非线性动力分析,数值模型分为在各层柱底加入施工缝模型的“带缝框架”和不考虑施工缝影响的“整浇框架”两种。通过对比结构的顶点最大位移、层间位移角、塑性铰分布规律和关键构件的反应等研究施工缝对框架结构抗震性能的影响程度。结果表明,在多遇地震下,结构仍处于弹性状态,施工缝对结构的顶点位移及层间位移角等影响不大。在罕遇地震下,随着地震动增大,结构进入非线性,施工缝的影响逐渐凸显,会使顶点位移及层间位移角明显增大。施工缝使柱端更容易出现塑性铰,更易形成“强梁弱柱”的柱铰破坏模式。在罕遇地震下对结构进行非线性数值分析时应重视施工缝的影响作用。