基于梁铰机制的柱端弯矩增强措施研究

汶川地震中钢筋混凝土框架结构塑性铰普遍出现在柱端,该震害现象促使我国抗震规范在2010版提高了"强柱弱梁"措施。新的柱端弯矩增大系数取值对一、二抗震等级而言与已有研究结果相近,但低烈度区、三级抗震的取值仍缺乏依据。该文按现行中国规范设计5个位于Ⅱ类场地的不同设防烈度分区、不同抗震等级的规则钢筋混凝土平面框架,讨论现浇板钢筋、梁下部纵筋等对"强柱弱梁"措施的影响规律。以强震下除底层柱下端外其他柱截面纵筋不屈服的梁铰机制为原则建立非线性计算模型,对每个框架分别输入30条符合要求的地震波,在OpenSees平台上对5个框架进行罕遇地震下的非线性反应分析,并对柱端弯矩增大系数需求进行统计分析。结果表明,对于7度区三级抗震框架的柱端弯矩增大系数,抗震规范取1.3明显不足,建议提高其取值,并同时附加将中间节点处绝对值较小的梁端负弯矩取为零的计算原则;8度区二级框架、9度区一级框架的柱端弯矩增大系数需求的统计结果较规范取值偏大得相对较少。基于梁端实际配筋和材料强度标准值的柱端弯矩增大系数需求的统计特征值离散性更小、沿楼层变化不大,同时其已包含板钢筋的贡献,是相对更好的"强柱弱梁"措施形式,此时抗震规范的一、二抗震等级的弯矩增大系数仍有待提高。     

我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果

为了识别强柱弱梁措施的实际抗震控制效果,对影响框架结构梁、柱端抗弯能力及二者相对强度的因素进行了分析归纳。严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则平面框架结构,考察了这些结构在采取强柱弱梁措施后其柱、梁之间的实际强度级差系数及其规律,对这些框架进行了多波输入下的非弹性动力反应分析。结果表明,在罕遇地震下,9度区(一级抗震等级)框架形成了抗震性能良好的梁铰机构;而8度区二级抗震等级和7度区三级抗震等级的框架形成了以柱铰为主或柱铰偏多的梁、柱铰混合机构。分析结果揭示出,在现行强柱弱梁措施的调控下,不同抗震等级的框架结构在强震下所形成的塑性耗能机构存在明显差异,并可能导致在抗震安全水平上的不一致性。     

实配钢筋“强柱弱梁”型框架结构形成因素分析

钢筋混凝土框架结构的抗倒塌能力与其破坏机制密切相关,最理想的机制是梁铰机制,即"强柱弱梁"型框架结构。研究表明,柱端弯矩增大系数(COF)对"强柱弱梁"型框架结构的形成有很大的影响,当COF大于2时,结构基本上只发生梁铰失效模式的破坏。采用现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)提供的梁、柱受弯承载力计算公式,根据6组不同设防烈度下钢筋混凝土框架结构实配钢筋施工图,求出梁、柱节点的COF值。对不符合"强柱弱梁"要求的框架结构梁、柱实配配筋进行调整,COF最小值取1.1~1.2左右。可知在罕遇地震作用下,一级抗震等级框架结构基本上只发生梁铰失效模式的破坏。建议规范将二、三级抗震等级框架结构的COF按照梁端实配钢筋计算,确保框架结构最终施工图能够真正实现"强柱弱梁"的概念设计。     

抗震钢筋混凝土框架底层柱底截面弯矩增强系数合理取值的讨论

以我国 8度区 (设计基本地震加速度 0 2 g)二级抗震钢筋混凝土框架结构为例 ,选取底层柱底截面的三档弯矩增强系数与上部各层柱端抗弯能力的两档增强措施相组合 ,设计出 6榀典型平面框架 ;再以采用单分量模型和改进武田滞回模型的杆系结构弹塑性动力反应分析程序PL AFJD对这些框架依次进行了相当于罕遇地震水准的 4条地面运动输入下的地震反应分析。分析结果初步表明 ,要使结构全面满足抗震设计要求 ,底层柱下端截面弯矩增强系数的取值应与上部各层柱的增强措施相匹配 ;修订后规范 8度区二级抗震等级框架上部各层柱的增强措施与修订前相比虽已有提高 ,但提高幅度尚嫌不足 ;底层柱底增强系数也宜在修订后规范取值 1 2 5的基础上适度提高     

一级抗震预应力混凝土框架混合出铰机制下柱端弯矩增大系数研究

按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求,对一级抗震预应力混凝土框架结构(简称"一级PC框架")进行"强柱弱梁"调整时,会出现中柱配筋面积过大及节点受剪承载力不足等问题。为降低中柱配筋,提出了一级PC框架结构"弱化中柱"、"强化边柱"的"强柱弱梁"调整方案,即通过弱化中柱配筋、强化边柱配筋,定义"强柱弱梁"框架为"罕遇地震作用下中柱和PC梁出现塑性铰,边柱除底层柱底外基本不出现塑性铰"的混合出铰有限延性框架。以4榀按抗震设防烈度8度(0. 2g)设计的不同跨数、层数的一级PC框架为研究对象,进行柱端弯矩增大系数研究。首先弱化中柱配筋,然后以控制边柱纵筋临界屈服为目标,对各个PC框架算例输入30条罕遇地震水准的地震波进行弹塑性时程分析,由梁实际配筋的正截面受弯承载力反算边柱所需的柱端弯矩增大系数,并经统计分析后提出具有明确概率意义的增大系数建议值。按照上述调整方案对算例进行再设计和弹塑性时程分析,结果表明,该调整方案能够避免结构在罕遇地震作用下出现整体和局部破坏,边柱除底层柱底外基本不出现塑性铰,上部楼层边柱总体安全储备较大,结构表现为以中柱和预应力梁出现塑性铰的混合耗能机制。     

不规则钢筋混凝土异形柱框架结构的抗震性能

按现行规范及技术规程设计了设防烈度为8度的一个不规则的钢筋混凝土异形柱框架结构，并进行了双向水平地震作用下的空间三维非线性地震反应分析，考查了异形柱框架结构在罕遇地震水准下的整体抗震性能，对结构能否达到抗震设防目标进行了初步评价。结果表明，8度区按规范设计的结构在罕遇烈度地震作用下基本能够达到预期的抗震设防目标。     

双向地震作用下我国“强柱弱梁”措施的有效性评估

以往研究柱端弯矩增大系数时一般基于平面分析模型,双向水平地震作用对框架"强柱弱梁"屈服机制的影响未引起重视。严格按中国规范设计出5个不同地震烈度分区的规则空间框架,在OpenSees平台上,采用基于柔度法的纤维模型从而更加真实地模拟柱在双向弯曲和变化轴力作用下的非线性反应,对五个框架进行了罕遇地震下的非线性反应分析。结果表明,7度0.1g区三级抗震空间框架形成了柱铰为主的混合耗能机制,7度0.15g区三级抗震空间框架少量楼层发生了层侧移反应,8度0.2g区、0.3g区二级抗震空间框架均是部分楼层出现明显层侧移反应的典型柱铰机制,9度0.4g区一级抗震空间框架则形成了梁铰、柱铰均较严重的梁柱铰混合机制。五个空间框架在双向地震下的塑性铰分布特征均比相应平面框架更不利。我国不同烈度区、不同抗震等级的空间框架结构在罕遇地震下形成了不同的的塑性铰耗能机制。     

多层石膏墙体钢网格式框架结构影响系数研究

GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》并未给出多层石膏墙体钢网格式框架结构的结构影响系数,因此其抗震设计荷载取值还不明确。基于此,依据GB 50011-2010规范设计了6个典型的多层钢网格式框架结构模型,通过推覆分析得出结构的能力谱曲线,基于改进能力谱法得出罕遇地震和抗震设防烈度地震作用下的需求谱曲线。将结构的能力谱曲线和延性需求谱曲线族置于统一坐标系中,确定结构的目标位移以及性能关键点坐标。进一步考虑层数及标准层布置对结构延性和超强系数的影响,评估结构的抗震性能并给出结构影响系数取值。研究表明：多层钢网格式框架结构在抗震设防烈度地震和罕遇地震作用下的变形均满足抗震规范要求;其结构影响系数取3.0,位移放大系数取4.0;该结构可采用现行抗震规范进行设计,但设计结果偏于保守。     

最小地震剪力系数对超高层建筑结构抗震性能的影响

最小地震剪力系数是超高层建筑抗震设计中的关键控制因素。首先对中美两国典型抗震规范或规程中有关最小地震剪力系数(最小基底剪力)的相关规定进行了对比分析。借鉴美国规范中最小基底剪力的处理方法,以位于我国设防烈度7度区的一超高层建筑为例,采用两种不同的设计地震剪力取值方法,按照8度地震设防烈度设计了两个不同的结构模型。通过弹塑性时程分析,比较了两个模型在罕遇地震作用下的性能差异,分析了长周期地震动对两个模型抗震性能的影响,并对比了两个模型抗地震倒塌能力的差异。分析结果表明:通过提高楼层设计剪力来满足最小地震剪力系数的方案与提高结构刚度的方案相比,其抗罕遇地震的性能基本相当,而抗地震倒塌能力更好,设计难度和建造成本会更低。     

钢筋混凝土框架结构抗震设计中能力设计措施的探讨

结合现行规范,对8度区二级1榀钢筋混凝土框架结构进行设计,通过对结构进行设防地震和罕遇地震作用多波输入下的非线性动力时程反应分析,考察了基于新规范设计的钢筋混凝土框架结构的能力设计措施所能达到的强柱弱梁效果,揭示了我国8度区框架结构能力设计措施的抗震有效性。     

填充墙和现浇板对钢筋混凝土框架结构整体超强的影响研究

为充分实现框架结构的“强柱弱梁”耗能机制，需要考虑填充墙、现浇T形截面梁及其翼缘现浇板内与梁肋平行配置的钢筋对结构整体超强系数的影响。考虑抗震设防烈度、结构层数等因素，严格按我国抗震规范设计了15个典型钢筋混凝土框架结构，对结构进行Pushover 分析，得到了各种结构在非弹性阶段由于内力重分布而形成的超强性能。结果表明：结构设计考虑填充墙、现浇楼板的影响，会提高结构的整体超强能力，结构整体超强系数均随着抗震设防烈度的增高而减小，且先随结构层数的增大而减小，结构层数大于8层后，又随结构的层数的增大而增大。可以保守地认为，分别按抗震设防烈度6，7，8度设计的结构，同时考虑填充墙和现浇板影响时，结构整体超强系数分别至少要达到5.0，3.0，2.0。     

设防烈度8度(0.3g)区RC剪力墙结构抗震能力需求分析

实现RC剪力墙结构预期强震破坏模式的能力设计方法的不断改进,一直为工程师所关注。针对我国抗震设防烈度8度0.3g高烈度区RC剪力墙结构,设计了不同高度和整体性系数的结构模型,从而建立了预设延性破坏模式的分析模型。考虑大震变轴力对弯矩和剪力的影响,分析了剪力墙在大震作用的弯矩和剪力的实际需求沿结构高度的分布规律。结果表明,对于位于烈度8度0.3g区的剪力墙结构,考虑大震时轴力的变化对剪力墙受弯和受剪能力的需求影响较大;剪力墙的弯矩和剪力放大系数随结构的高度和整体性系数的增大而增大;现行规范规定的剪力墙受弯和受剪能力调整系数小于实际的需求,剪力墙中下部的弯矩和底部的剪力需求大,建议受弯能力调整沿高度采用三折线,提高剪力墙底部加强区的剪力放大系数或最小构造配筋率。     

高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构抗震性能研究

为研究高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的抗震性能,分别设计了一个10层钢筋混凝土框架结构和屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构模型,进行了地震作用下动力非线性分析。结果表明：屈曲约束钢板墙可显著减小高层钢筋混凝土框架结构在地震作用下的层间位移,同时在罕遇地震作用下框架中塑性铰的数量也有大幅减少,表现出良好的抗震性能。在此基础上,综合规范对框架结构和框架-抗震墙结构抗震等级和柱轴压比限值的规定,并结合屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的受力特点,提出了高层屈曲约束钢板墙-混凝土框架结构的抗震设计建议。建议屈曲约束钢板墙的边缘构件按框架结构确定抗震等级和柱的轴压比限值,其他框架部分根据其承担的地震倾覆力矩比例大小,按框架结构或框架-抗震墙结构确定抗震等级和柱的轴压比限值。     

钢筋混凝土框架结构超强研究

结构超强对结构在强烈地震中保持良好的性能具有重要的作用。本文首先给出了严格按我国抗震规范设计的几个典型钢筋混凝土框架结构,用大量经过筛选的地震动记录,分别利用动力时程分析法和Pushover方法确定了结构的整体能力曲线,并研究了结构在非弹性阶段由于内力重分布而形成的超强,得出结论:利用时程分析法建立结构的整体能力曲线时,地震动记录的场地条件对结构的能力曲线影响不大;动力时程分析法和Pushover方法给出的超强的差别随层数的增多而增加;在还没有进行大量细致的工作和研究之前,可以保守地认为严格按我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的超强系数最小值为2。     

底部采用高性能纤维增强混凝土的RC剪力墙结构抗震性能分析

剪力墙结构底部采用高性能纤维增强混凝土材料（ECC）能够减轻底部剪力墙在地震中的损伤程度,提高结构震后可恢复性。为考察底部采用ECC材料后整体结构的抗震性能,以我国抗震设防烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.2g的高烈度抗震设防区RC剪力墙结构为对象,建立了高度、ECC设置高度和剪力墙整体性系数不同的结构模型,并进行有限元动力时程分析,考察底部采用ECC材料的剪力墙结构与普通RC剪力墙结构抗震性能的差别;分析剪力墙结构在罕遇地震作用下发生预期延性破坏模式时的弯矩需求。结果表明,对于位于设防烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.2g抗震设防区的剪力墙结构,将剪力墙底部采用ECC材料后,其在罕遇地震作用下能够耗散更多地震能量,剪力墙开裂的程度和概率明显减小;在剪力墙底部加强区第1~2层采用ECC材料后,ECC层及其相邻上层会发生弯曲破坏;底部加强区第1~3层剪力墙都采用ECC时,剪力墙屈服都集中在ECC层,在罕遇地震作用下ECC层以上剪力墙实现预设延性破坏模式的受弯需求不大于其受弯能力;建议25层以下的剪力墙结构在底部第1~3层范围内采用ECC材料。     

钢框架-轻木剪力墙混合结构抗震性能振动台试验研究

为研究钢框架-轻木剪力墙混合结构的抗震性能,设计了缩尺比为2/3的钢木混合结构模型,并对其进行了振动台试验。试验中选取汶川、Canterbury、El Centro和Kobe共4条地震波,并考虑多遇、设防和罕遇3个地震水准,相应的地震加速度峰值分别为0.14g、0.40g和0.80g。通过振动台试验获得了钢木混合结构的地震响应和破坏模式。结果表明：钢木混合结构在多遇地震作用下最大层间位移角为0.15%,罕遇地震作用下最大层间位移角为0.85%,均能满足规范对结构变形的要求;在试验过程中,结构的钢框架部分和钢木连接没有出现损伤,其主要破坏模式表现为轻木剪力墙面板钉节点的破坏,破坏部位主要位于墙体覆面板的边缘;多遇地震作用下,轻木剪力墙承担了结构地震剪力的55.1%以上,有效地提高了结构抗侧承载力;随着输入地震加速度峰值的增大,剪力墙刚度逐渐退化,其分担的地震剪力有所降低,但即使在罕遇地震作用下,轻木剪力墙分担剪力的比例仍能达到39.9%以上。     

Seismic performance evaluation of staggered wall system structures with middle corridors

In this paper, the seismic performance of reinforced concrete (RC) staggered wall structures with middle corridor was evaluated. To this end, 6‐, 12‐ and 18‐storey structural models were designed and were analyzed to investigate the seismic load‐resisting capacity. The response modification factors were computed based on the overstrength and the ductility capacities obtained from pushover curves. The effect of a few retrofit schemes on the enhancement of strength and ductility was also investigated. The pushover analysis results showed that the response modification factors ranged between about 4.0 and 6.0 with the average value around 5.0. When the bending rigidity of the link beams increased up to 100%, the overall overstrength increased by only about 25%. When the rebar ratio of the link beams was increased by 50%, the overstrength increased by about 40%. The replacement of the RC link beams with steel box beams resulted in superior performance of the structures with reduced beam depth. The displacement time histories of the model structures subjected to the earthquake ground motions scaled to the design seismic load showed that the maximum interstorey drifts were well below the limit state specified in the design code. Based on the analysis results, it was concluded that the staggered wall systems with a middle corridor had enough capacity to resist the design seismic load. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

两边连接薄钢板剪力墙加固损伤RC框架结构抗震性能

为了提高损伤RC框架的抗震性能,采用两边连接薄钢板剪力墙对其进行加固.通过2个1/3缩尺比单跨2层两边连接薄钢板加固损伤RC框架的低周往复加载试验,对其抗震性能进行了研究,并与未损伤RC框架试验结果进行对比分析.结果 表明:设置两边连接钢板剪力墙,可显著提高损伤RC框架的承载力、抗侧刚度和延性;加固后的结构钢板剪力墙屈...     

Effect of replaceable coupling beams on damage of frame-core structures

为定量评估罕遇地震作用下结构的损伤程度,结合国内外抗震设计规范与相关研究成果,给出了较为实用的结构与构件地震损伤判别标准。综合分析认为结构最大瞬时层间变形角、残余变形以及各类构件的最大转角可以较为全面反映整体结构与构件的损伤情况,便于在结构抗震设计时应用。针对以剪切变形为主的构件特点,提出一种可更换连梁,并给出了相应的设计方法。算例分析结果表明：可更换连梁对结构侧向刚度影响较小,通过改善结构的耗能能力,减小结构在罕遇地震作用下的层间位移角与相应的破坏程度;采用可更换连梁后,核心筒剪力墙的受损程度明显降低,顶部残余变形显著减小;尽管可更换连梁的耗能段变形集中,但与其相连的混凝土梁段基本保持弹性状态;对于钢框架-混凝土核心筒混合结构,边框柱与边框梁在罕遇地震作用下的损伤程度均较低,可更换连梁对其影响较小。