强震下钢框架结构易损性分析及优化设计

该文建立了一种考虑结构地震反应滞回变形幅值对累积耗能损伤影响的双参数损伤模型,提出了一种基于易损性分析的评估钢结构在地震作用下损伤程度的方法,该方法以结构最大层间位移角作为评价结构整体能力的参数指标。以一个9层Benchmark钢结构为例,针对其在强震中的反应特征,对其薄弱层进行了优化设计,建立其优化前后的理论易损性曲线,对其在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估。基于倒塌储备系数对优化前后结构的抗倒塌性能进行分析,结果表明:所提出的损伤评估方法能较准确地评估钢结构在强震作用下的损伤程度,优化设计后结构的抗倒塌能力显著提高。     

锈蚀钢框架地震易损性评定方法

钢结构锈蚀降低了钢材塑性变形能力,降低了断裂韧性,势必影响锈蚀钢结构的抗震性能。该文借助于加速腐蚀试验,研究了钢材力学性能随锈蚀程度的变化规律,建立了钢材强度、延性指标与锈蚀程度之间的关系;研究了地震作用下钢结构损伤状态及性能水平与锈蚀程度之间的关系,并基于极限破坏状态提出了锈蚀钢框架层间位移角限值取值方法。以5层钢框架为例,运用静力弹塑性分析方法,探讨了锈蚀对钢框架构抗震性能的影响;运用增量动力分析法,建立结构损伤指标与地震动强度指标的关系,得到不同龄期锈蚀钢框架地震易损性曲线,提出了锈蚀钢框架地震易损性评定方法。研究结果表明:同龄期不同极限状态结构超越极限状态的概率不同,倒塌极限状态下差距较大,而正常使用极限状态差距较小,若不修正层间位移角限值会高估锈蚀钢框架抗震性能。     

基于显式算法的RC框架结构抗地震倒塌能力分析

相比于传统动力学分析所采用的隐式算法,显式算法非线性分析的收敛性更好,适宜用来分析结构在倒塌状态附近的强非线性行为。该文基于OpenSees软件平台,采用一种基于修正蛙跳法的显式算法,对按我国规范设计的6个钢筋混凝土（RC）框架结构的抗倒塌能力进行了评估,获得了结构的倒塌易损性曲线,计算得到了结构的倒塌裕度比。在分析过程中,该文对4种不同判据对抗地震倒塌能力的影响进行了分析。其中,第1和第2种判据分别对应我国和美国规范建议的弹塑性层间位移角限值1/50和4%;第3种判据以IDA（Incremental DynamicAnalysis,增量动力分析）曲线上切线斜率低于初始线弹性阶段斜率的20%时的点为结构倒塌点;第4种判据则以结构竖向位移达到1 m来定义结构倒塌状态。分析结果表明:显式算法具有更强的结构非线性分析能力,因此可以更好地模拟结构的倒塌极限状态。判据1~判据3更适宜在结构设计时被用来控制结构倒塌,而判据4利用了结构倒塌的物理意义,其评估结果更接近结构的真实抗倒塌能力。     

连接Maxwell模型的两相邻结构地震易损性分析

对连接Maxwell模型的两相邻钢筋混凝土框架结构建立二维模型,考虑了梁柱单元及阻尼器单元在大震作用下的非线性行为,通过大量的增量动力分析(IDA),研究了Maxwell阻尼器优化参数理论表达式在结构经历初始弹性、屈服直至倒塌全过程的适用性,并基于IDA分析的结果,对结构未控和控制情况下的地震易损性曲线进行了比较分析,从性能评估的角度研究了Maxwell阻尼器对相邻结构在不同地震波及不同地震动强度水平下的控制效果。通过相邻结构在不同地震动强度水平下的顶层位移时程发现,Maxwell阻尼器在小震作用下对两结构顶层位移控制效果均较好,但是在大震作用下,仅对结构2有明显的控制效果;由控制和未控时的相邻结构的地震易损性曲线亦可看出,Maxwell阻尼器对结构2在各性能水平下的控制效果均优于结构1。最后,通过大量的参数化分析,基于相邻结构地震易损性最小原则提出了合适的阻尼器参数值。     

基于性能的高层混合结构地震易损性分析

研究地震作用下高层钢框架-混凝土核心筒结构的易损性问题。通过基于性能的静力弹塑性分析,根据结构极限损伤状态定义了混合结构地震需求参数的四个性能水平限值。考虑地震动输入的不确定性,通过弹塑性动力时程分析获得结构地震响应,建立了两个地震需求参数与地震动强度指标之间的关系,结合性能水平限值提出能有效评估结构地震响应的易损性分析方法。最后对两个不同节点连接方式的高层混合结构进行了基于性能水平限值的地震易损性分析,绘制结构的地震易损性曲线,对结构抗震性能进行评估和对比分析。     

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。     

大跨斜拉桥地震易损性分析

桥梁结构是抗震救灾的生命线工程,保证强震作用下桥梁结构的抗倒塌能力是抗震设计的主要任务之一。该文以某大跨单塔斜拉桥为例,建立相应的有限元模型。首先,运用基于广义刚度的构件重要性评价方法分析了地震作用下该桥梁结构构件的重要性,并给出了关键构件;其次,模拟了桥梁地震作用下连续倒塌的过程;最后,运用基于IDA的倒塌易损性分析方法,对桥梁进行了定量的结构地震抗倒塌易损性评价,评价结果表明该桥梁在罕遇地震时对应的倒塌概率为0.22%,具有较强的抗地震倒塌能力。     

单层球面网壳考虑一致倒塌概率的倒塌安全储备分析

提出了考虑一致倒塌概率的单层球面网壳结构倒塌安全储备计算方法。以标准正态分布作为倒塌概率密度函数,采用指数型分布函数描述地震危险性,在假定网壳结构特大震倒塌率限值为10%的情况下,将两者积分得到了适用其50年内一致倒塌概率限值为0.46%,低于针对普通房屋建筑结构50年内一致倒塌概率1%的限值。在定义网壳结构特大地震强度水平的基础上,引入一致倒塌概率对其进行了修正。根据修正特大震强度,最终提出了针对网壳结构的倒塌安全储备系数（CMR）计算方法,这种做法可以使所做的抗倒塌设计更好地考虑到所有超越概率地震动水平,保证各抗震设防烈度下大跨网壳结构具备统一的倒塌概率限值要求。另外,通过谱形状参数对建议的倒塌安全储备计算结果进行了谱修正。针对三个算例网壳的增量动力分析对比了不同矢跨比和不同结构类型对倒塌安全储备以及50年倒塌概率的影响,三个算例结构均能满足倒塌概率限值的要求,50年倒塌概率与倒塌安全储备有较好的一致性。     

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...     

结构抗倒塌易损性分析中地震动输入不确定性影响研究

在结构抗倒塌易损性分析中地震动输入的选取只是众多环节之一,其不确定性影响往往被忽视。该文基于PEER强震动记录数据库,按震级、距离和场地参数（M、R、V_S30）进行单变量控制将强震动记录分成9组,新定义指数I_Sa用以比较不同分组地震动的相对能量差异;对3层、8层以及15层三种不同自振周期的混凝土框架结构采用IDA方法进行抗倒塌易损性分析,比较不同M、R、V_S30工况地震动输入下的易损性结果,同时与ATC63推荐记录作为地震动输入的易损性结果进行了对比,结果表明:3种结构的倒塌性态点S_a（T₁）均随着M增大、R增大以及V_S30变小而减小;三种结构都体现了在大震、远场及软土场地的地震动作用下更加易损倒塌,与I_Sa指数体现的地震动蕴含能量的分布相一致;通过SI和SI_max两个参数在不同工况下的对比,表明中长周期结构受距离的影响更为显著,以及震级对结构抗倒塌影响更敏感;以ATC63推荐的强震动记录随意用作地震输入被证实可引起结构抗倒塌易损性曲线较大的不确定性。为降低不确定性影响,建议在进行结构抗倒塌易损性分析时采用考虑场址危险一致性与结构自振特性的地震动输入选取方法。     

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。     

FRC框架结构地震风险评估的简化方法

对结构地震风险进行精细的量化分析成为在直接财产损失、居住中断时间、死亡人数评估中必不可少的部分。该文首先用增量动力分析（IDA）法对纤维增强混凝土（FRC）框架结构进行动力时程分析,获得其IDA曲线,据此确定结构的地震易损性曲线,并由此考虑知识不确定性,确定考虑知识不确定性的易损性曲线;按考虑知识不确定性的易损性曲线与地震危险性曲线相结合,进行风险评估;然后基于Laura Eads等提出的评估地震风险的简化方法来进行风险评估。分别对按我国规范设计的8层FRC框架结构和钢筋混凝土（RC）框架结构进行分析。结果表明:采用简化方法得到的FRC框架和RC框架结构的倒塌风险均偏大,误差分别为5.7%和8.0%,对于结构风险评估是可行和偏于保守的。     

基于多维性能极限状态的结构易损性分析

由于基于性能的单指标易损性方法在结构易损性分析中忽略了非承重构件及设备仪器破坏的影响,该文提出了基于多维性能极限状态的易损性分析方法,采用承重构件敏感的最大层间位移参数与非承重构件及设备仪器敏感的最大加速度参数作为性能量化指标,建立了基于多维性能极限状态的广义方程描述结构整体的极限破坏状态。根据超越概率的定义,并考虑量化指标间相关性及其阀值的随机性,推导得到了二维性能极限状态下超越概率的解析解;并利用matlab拟合得到了结构在正常使用、可以使用、生命安全、防止倒塌四个性能水平下的易损性曲线。     

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。     

建筑结构倒塌分析的单自由度模型

该文建议了一种能够用于建筑结构倒塌分析的单自由度滞回模型。该模型能够模拟骨架线的强化和峰值点后的退化、滞回捏拢、往复荷载作用下的承载力和刚度退化以及P-Δ效应等。为验证所建议的单自由度滞回模型用于结构倒塌分析的有效性和合理性, 以一座8 层钢筋混凝土框架结构为例, 对原型结构和按照基本模态等效的单自由度模型分别进行了IDA 倒塌易损性分析, 结果表明两者的倒塌易损性曲线吻合较好。     

基于多元增量动力分析（MIDA）方法的RC核心筒结构地震易损性分析

RC核心筒结构在水平双向地震荷载作用下,结构地震响应的耦合作用会严重削弱筒体的变形能力和延性性能,加剧筒体结构破坏程度。本文引入地震动入射角来模拟结构可能遭遇到的更为客观、实际的水平双向地震激励,基于传统IDA方法,采用拉丁超立方体网络抽样法考虑地震动强度及地震动入射角对结构的共同影响,提出了多元增量动力时程分析(MIDA)方法。基于MIDA方法,利用有限元分析软件Perform-3D对20层RC核心筒结构进行多元增量动力时程分析,获取了能反映结构抗震性能的MIDA曲线,并基于性能定义出结构的四个极限性态点,进而获得结构的地震易损性曲线,对结构的易损性能进行了分析和评估。     

RC框架核心筒结构的地震易损性研究

为研究高层RC框架核心筒结构的地震易损性,设计9榀相同层高但不同跨度和地震设防烈度的典型结构模型。考虑地震动输入的不确定性,采用Perform-3D对其进行弹塑性动力时程分析得到结构地震响应,进而结合我国抗震规范对框架核心筒结构体系性能水平限值要求建立相应的地震易损性曲线,对比分析了不同跨度和设防烈度下结构的地震易损性差异;结果表明:较低设防烈度结构的地震易损性曲线差别不明显,而较高抗震设防烈度下结构的地震易损性曲线差别显著;在相同设防烈度下,随着结构跨度的增加其地震易损性曲线变化不大,从一个方面验证了结构设计的不确定性对其地震易损性的影响较小。研究为进行城市高层建筑结构的地震灾害损失评估提供了理论依据。     

基于性能的集装箱起重机结构地震易损性分析

根据集装箱起重机(简称岸桥)结构在地震作用下的破坏表现特征,定义了4个破坏等级和3个性能水准,以门框位移角为量化指标,给出一种岸桥结构性能水准的确定方法。考虑结构和地震动的不确定性,对两台岸桥实例进行地震易损性分析,得到结构易损性曲线。分析结果表明:两台岸桥门框构件延性变形能力较差,在强震作用下的倒塌概率较大。易损性曲线明确了岸桥结构在不同地震动强度下的性能水准概率,为岸桥结构抗震性能评估和灾害分析提供理论依据。     

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。     

温度相关型结构地震风险评估方法

采用形状记忆合金(SMA)、粘弹性橡胶等材料的结构,其地震响应存在温度相关性,对其结构性能的评估应考虑温度影响和区域温度分布特性的不确定性。以第二代基于性能的地震工程评估框架为基础,该文提出一种考虑区域温度分布特性的温度相关型结构地震风险评估方法。该方法将传统地震易损性扩展为地震动强度-温度联合易损性,在此基础上得到包含温度分布信息的修正区域易损性,并用于评估结构地震风险。基于该方法,该文以9层SMA支撑钢框架结构作为分析对象,研究温度对结构性能的影响。选取北京和文昌为案例地区,给出其区域温度分布特性描述,并计算对象结构的地震风险曲线。结果表明：环境温度降低将影响结构变形分布。同时,结构在低温下更易发生倒塌。相对于位于文昌和设计基准温度下的对象结构,位于北京的对象结构具有更高的倒塌风险。所提出的方法能够量化评估不同地区温度相关型结构的地震风险。