三维隔震钢框架结构及内部非结构构件地震易损性研究

该文以三维隔震钢框架结构为研究对象，提出上部结构、隔震支座与滑移型设备、倾覆型设备、吊顶三类非结构构件的抗震性能量化指标，基于增量动力分析，从结构与非结构2个方面研究三维隔震结构地震易损性。基于研究案例，结果表明：三维隔震结构与水平隔震结构的结构易损性接近，两者在远场地震时结构易损性低于非隔震结构，但高强度近场地震作用时由于过大的支座位移则可能高于非隔震结构。如9度罕遇地震作用时，三维隔震结构与非隔震结构对应立即使用状态的超越概率分别为90%、80%。三维隔震结构中滑移型设备的易损性低于非隔震结构，略高于水平隔震结构。三维隔震结构与水平隔震结构均可有效降低倾覆型设备的倾覆概率，在PGA为0.8 g时倾覆概率仅为7%，且前者相比后者可显著降低倾覆型设备的摇摆角。非隔震结构与水平隔震结构中吊顶地震易损性均较高，而三维隔震结构可显著降低吊顶的易损性，近场8度罕遇地震作用下吊顶对应充分运行的超越概率仅为1%。     

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。     

带填充墙自复位预应力混凝土框架结构的抗震性能分析

自复位预应力混凝土(SCPC)框架结构中布置填充墙可以有效提高结构刚度和耗能能力。从我国规范中选取4种强度不同的填充墙分别布置于一SCPC框架结构中,利用OpenSees分析软件分别建立其有限元模型。首先对SCPC框架和4个带填充墙自复位预应力混凝土(SCPC-IW)框架有限元模型进行低周往复循环加载分析和静力推覆分析,进而选取15条地震动记录调至罕遇地震水平分别输入5个有限元模型进行动力分析,以研究填充墙对SCPC框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:布置填充墙可以明显提高结构的初始刚度、耗能能力以及减小结构动力响应,但同时也提高了震后结构的残余变形。随着填充墙材料强度的提高,结构震后残余变形的增加幅度远高于其动力响应的降低幅度。对SCPC框架结构布置强度为混凝土强度15%~24%的填充填可以有效提高结构刚度和耗能能力,降低结构的动力响应,同时又能够保证结构残余层间位移角在罕遇地震水平下不超过可修状态限值0.4%。     

隔震建筑橡胶柔性管道易损性模型研发及应用

隔震技术是实现建筑地震韧性的有效手段,隔震层中存在大变形需求的柔性管道功能重要,但现阶段缺乏该类管道的地震易损性模型和损失后果函数,因而隔震结构的韧性评价体系还有待进一步完善。针对这一问题,以橡胶柔性管道为对象,基于前期开展的管道试验,明确了该类管道的2个关键损伤状态,建立了公称内径50 mm和100 mm的柔性管道的地震易损性模型。综合考虑各种成本,提出了修复费用后果函数,根据24个试件拆卸和安装时间数据确定了修复时间后果函数,从而建立了上述管道的损失后果函数。在此基础上,以一5层RC框架隔震结构为例,考虑公称内径和设计长度影响,设定了6种管道方案,评价了结构在设防地震与罕遇地震作用下的韧性水准。结果表明:在设防地震与罕遇地震作用下柔性管道修复费用占比最高可达88.5%和29.4%,但其修复工时对建筑修复时间的影响基本可以忽略;设防地震下加大设计长度可使管道修复费用得到有效控制,但罕遇地震下由于变形大,当管道长度小于相关规范建议值时增大管道长度也无法有效避免管道破坏,反而会导致管道修复费用增大。该研究的相关成果可为隔震建筑地震韧性设计和评价提供重要参考。     

长周期地震作用下考虑碰撞效应的偏心隔震结构损伤性能评价

由于隔震层位移过大或隔震沟间距设置不当会造成偏心隔震建筑结构与周围挡土墙发生碰撞。合理评估扭转耦合效应及碰撞效应对偏心隔震结构损伤性能的影响具有十分重要的意义。建立了单层偏心隔震结构弹塑性侧扭耦合分析模型,并基于Park-Ang损伤指标定义了上部结构的损伤。以近断层地震和远源长周期地震动作为输入,采用弹塑性时程分析方法对单层单向偏心隔震系统进行损伤性能评价。对相关重要参数进行了地震影响分析。研究结果表明与设计地震动相比, 在长周期地震作用下考虑碰撞效应的结构损伤值较高,如果间距设置不当甚至会造成结构损伤失效。上部结构及隔震层偏心会对结构损伤产生不利响应。合理设计隔震沟间距可以保证隔震结构在罕遇地震下不出现失效现象。     

远场长周期地震下层间隔震结构的非线性减震分析

远场长周期地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,部分地震动后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动;其可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能带来不利影响,需深入探讨。首先讨论远场长周期地震动的运动特征。然后以8条远场长周期地震与3条普通地震记录作为地震动输入,对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行了非线性地震反应分析。探讨地震波中的长周期成份,尤其类谐和成份对隔震结构减震性能的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案;分析其对隔震层的限位保护效果与对隔震结构的非线性减震效果。结果表明:远场长周期地震作用下层间隔震结构的减震效果相比普通地震作用下的减震效果变差。特别在远场类谐和罕遇地震作用下,层间隔震结构的非线性响应相比抗震结构几乎无减小,甚至显著放大;隔震支座最大位移远超越其允许位移。组合隔震能较有效地控制远场长周期地震、特别是远场类谐和地震作用下隔震结构的非线性反应,尤其可显著减小隔震支座的最大位移,防止隔震支座破坏。     

基于极限平衡理论的钢与混凝土组合框架结构抗震分析

基于极限平衡理论建立一种钢与混凝土组合框架结构罕遇地震作用时简化分析方法。通过理论分析和试验现象,确定组合框架破坏机制;基于极限平衡原理,根据结构在地震作用下达到极限状态时变形和内力分布规律,分别计算框架顶部侧移等于H/50、H/40和极限荷载对应侧移值时组合框架抗震强度,计算结果与国内外十九榀组合框架低周反复荷载试验结果吻合较好,说明此计算方法可有效地预测组合框架结构在罕遇地震下的抗震强度;提出通过对组合框架变形能力和抗震强度同时进行控制,以使结构满足罕遇地震下抗震要求的简化方法。     

复杂博物馆隔震结构地震模拟振动台试验研究

云南省博物馆结构处于地震高烈度地区,其结构形式为复杂超限非规则的型钢混凝土结构,对于这种具有特殊功能的建筑结构采用隔震技术具有十分重要的意义。为了确认该博物馆隔震结构的隔震效果及损伤破坏机理,对1:30的缩尺模型开展了振动台模型试验研究。主要对隔震与非隔震模型结构的动力特性及其在多遇地震、罕遇地震下的地震反应进行测试与比较。试验结果表明:隔震结构在不同性能水准地震作用下动力特性稳定,减震效果较好,上部结构水平向各层峰值加速度小于台面峰值加速度;隔震结构的加速度反应要小于非隔震结构,结构各层变形满足规定要求限值;结构扭转反应较小,整体没有发生破坏;罕遇地震作用下隔震支座滞回曲线均匀饱满,支座没有发生损伤。隔震技术能很好的在大型复杂博物馆结构中应用。     

罕遇地震荷载作用下屈曲约束支撑框架结构弹塑性位移的简化计算方法

针对罕遇地震荷载作用下的屈曲约束支撑框架结构,从附加有效阻尼比的角度出发,系统的分析了罕遇地震时,屈曲约束支撑框架结构体系弹塑性位移的简化求解方法,并将此简化求解方法的计算结果与十条地震波的弹塑性时程分析结果平均值进行对比,结果表明,该简化算法准确有效.     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架弹塑性状态的层剪力分布研究

高强钢组合偏心支撑钢框架结构中耗能连梁作为屈服构件采用普通钢（如Q345）,而非耗能构件采用高强度钢材（如Q460）,高强钢构件不仅有效降低了构件截面、节约钢材、降低造价,而且减弱了偏心支撑结构的刚度,使得层剪力分布状态与传统偏心支撑结构不同。为了研究这种新型结构在罕遇地震作用下的弹塑性层剪力分布状态,依据偏心支撑钢框架结构基于性能的设计方法设计了具有理想失效模式的5层、10层、15层和20层算例,并考虑了近场地震速度脉冲效应和远场地震加速度循环累计效应对结构的影响,采用动力时程分析方法计算结构在罕遇地震水准下的响应,根据结构弹塑性层剪力的平均值,提出了与我国规范相一致的弹塑性层剪力分布模式,并对比了已有的层剪力分布模式,该文建议的层剪力分布模式具有更高的精度,可为高强钢组合K形偏心支撑能量设计方法和塑性抗震设计理论提供参考依据。     

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。     

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。     

基于不同规范设计的现役RC框架损伤分析及可修复性能评估

我国现役大多数钢筋混凝土(RC)框架是基于GBJ 11-1989、GB 50011-2001和GB 50011-2010三次抗震设计规范所设计,由于建筑功能的需求,常见框架结构的首层层高明显高于其它层,易导致结构层间变形集中。选择底层层高明显高于其它层的三栋现役RC框架为分析算例,综合考虑填充墙面外变形、节点区剪切变形、柱内钢筋粘结滑移等因素,利用OpenSees有限元分析软件,分别建立其三维空间有限元模型。对三个模型进行了低周往复加载分析和大量地震动激励下的动力时程分析,研究了结构在中震、大震和特大震三个水准下的损伤程度、层间变形的分布模式及可修复性能。结果表明：相对于GBJ 11-1989和GB 50011-2001,基于GB 50011-2010抗震设计规范设计的结构损伤最小,对于潜在薄弱层的加强效果更加明显;中、大震水平,三次规范设计结构发生倒塌的概率均较低,但基于GBJ 11-1989抗震设计规范设计的结构损伤较严重,较难修复;特大震水平,基于GBJ 11-1989和GB 50011-2001抗震设计规范设计的结构倒塌风险较大,基于GB50011-2010抗震设计规范设计的结...     

基于地震损失风险钢筋混凝土框架结构弯矩增大系数评估

损失是表征结构性能的综合指标。为了从损失风险的角度评估现行抗震规范钢筋混凝土框架弯矩增大系数的取值,基于地震风险评估框架FEMA P-58,给出了基于结构整体易损性分析的地震损失计算方法。设计了4个弯矩增大系数分别为1.1、1.3、1.5、1.7的钢筋混凝土框架结构,采用增量动力时程分析方法,得出了结构的易损性曲线和易损性矩阵,按照地震烈度概率模型,给出了所在场地各种烈度地震发生的概率,计算了每个结构在50年和1年内的经济损失和人员伤亡损失。结果表明,地震损失风险随强柱弱梁系数增大而减小,50年总经济损失比介于0.08~0.12,人员损伤率介于4.85×10-4~1.12×10-3。按照目前规范取值设计的结构地震损失风险处于可接受范围内。     

汶川地震下框架结构的抗倒塌能力分析

从震害统计和数值模拟两个方面研究了按现行抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的抗倒塌能力。汶川地震大量钢筋混凝土框架结构震害统计表明,按7度抗震设防的结构在地震烈度达到9度或加速度峰值达到400gal,开始出现倒塌破坏(占1%~2%);当地震烈度达到11度或加速度峰值达到800gal以上时,出现大量的倒塌破坏(占60%以上)。进一步以汶川强震记录为输入,对两个典型的钢筋混凝土框架结构进行了增量动力分析。结果表明:7度抗震设防时可抵御300gal~500gal加速度峰值作用(地震烈度近似9度);按8度抗震设防时可抵御400gal~600gal加速度峰值作用(地震烈度近似10度)。总体上看按现行抗震规范设计的钢筋混凝土框架的超强系数基本大于2。     

基于结构强震记录的结构时变模态参数识别

为研究结构在地震过程中动力特性变化和损伤过程,为结构地震损伤评估提供可靠依据,采用递归式在线系统辨识算法RARX模型,利用结构强震记录识别了结构时变模态参数。以一座6层钢筋混凝土框架结构为例,识别了其时变自振频率、阻尼比和等效刚度。结果发现：在小地震动作用下,结构自振频率随时间几乎不发生改变;在大地震动作用的整个时间过程中,结构自振频率随时间逐渐降低,降低到一定程度到达最低点后,频率开始回升,直至地震结束,但最后不能回升到初始值,说明经历大震发生损伤的结构在震后性能会有所恢复;结构等效刚度变化趋势和自振频率相同,但在大震中下降比频率下降大的多;结构阻尼比在经历大震发生损伤后增大。结果可供结构地震损伤预测及结构震后安全鉴定参考。     

主余震序列作用下钢筋混凝土框架结构的易损性分析及安全评估

余震将给主震损伤结构造成“二次损伤”,威胁结构的地震安全。鉴于此,该文基于传统地震易损性理论,分别采用真实主余震序列和人工构造主余震序列作为地震输入,选择一栋按我国规范设计的5层钢筋混凝土框架结构作为研究对象,对主余震序列作用下的结构易损性进行研究。基于结构在主余震序列作用下的易损性结果,分别计算结构在不同危险性水平的主余震序列作用下的极限状态失效概率、破坏状态失效概率和易损性指数,评估结构在主余震序列作用下的地震安全。分析结果表明:主余震序列作用下的结构易损性要高于主震单独作用下的结构易损性。人工构造主余震序列要比真实主余震序列对结构造成更大的易损性。在真实和人工主余震序列中,基于重复法构造的人工主余震序列对结构的潜在破坏能力最强,而基于衰减法构造的人工主余震序列与真实主余震序列对结构的潜在破坏能力较为接近。     

强震作用下附设粘滞阻尼器RC框架结构的 耗能机制与抗倒塌性能研究

大量震害调查结果表明强震作用下普通RC框架结构很难避免出现薄弱层的累积耗能集中,以致结构倒塌。作为一种已推广应用的耗能装置,粘滞流体阻尼器可在不改变原有结构体系刚度分布的前提下有效耗散地震输入能量,提高结构抗倒塌性能。根据中国现行抗震规范设计了三组不同高度的RC框架结构,并分别进行了附设粘滞阻尼器的消能减震设计。采用弹塑性时程分析方法对各结构进行了地震响应计算,对比了减震前后结构的累积滞回耗能分布模式和耗能机制,并且采用基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了各结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备。结果表明,附设粘滞阻尼器可显著改善RC框架结构的耗能机制,降低主结构构件的损伤程度,有效提高结构的抗倒塌性能。