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。     

框架结构局部柱铰整体屈服机制的控制

框架结构局部柱铰整体屈服机制允许中柱的柱端和边柱的梁端屈服,要求边柱强度更高以避免发生层间破坏。该屈服机制的强柱弱梁条件不在于使每个节点都满足强柱弱梁的条件,而从结构整体出发要求满足基于层间柱梁强度比的强柱弱梁条件,使节点的强柱弱梁条件得以放松。基于梁铰屈服机制和部分柱铰屈服机制分别设计2组6层框架结构,利用ABAQUS有限元分析软件建立实体模型,采用Pushover方法进行推覆分析,对比不同屈服机制的层间位移角响应及构件塑性铰分布响应。结果表明,层间柱梁强度比对屈服机制的形成有重要影响,具有部分柱铰的框架结构在地震作用下的安全性不低于只允许出现梁铰的框架结构。     

钢筋混凝土框架强柱弱梁设计的概率分析

分析了抗震等级分别为一级、二级和三级,并且设防烈度分别为7、8度时的钢筋混凝土框架强柱弱梁设计的保证率,结合强柱弱梁设计功能函数中的各个随机变量的统计特征,分别分析了住宅楼和办公楼在抗震等级为一级、二级和三级时的钢筋混凝土框架强柱弱梁的可靠指标;结合一级抗震等级、9度设防烈度区的框架结构强柱弱梁的可靠指标取值,得出合理的超筋率取值范围。分析结果表明:控制超筋率可以使框架结构强柱弱梁设计得到保障;所得结论为进一步分析可靠指标的最终合理取值范围提供了依据。     

柱端弯矩增大系数取值对RC框架结构抗震性能影响的评估

增大柱端抗弯承载力是抗震“能力设计”的关键措施之一,它可以导致钢筋混凝土框架结构形成梁铰型有利的耗能机构。评估不同柱端弯矩增大系数(0.8￣2.4)下钢筋混凝土框架结构的抗震性能。首先采用可靠度理论分析框架结构单节点“强柱弱梁”设计的失效概率;然后,考虑主要影响梁柱强弱的设计参数和地震加速度峰值的随机性,以3层和6层框架结构为分析对象,采用蒙特卡罗模拟分析结构楼层和整体形成“柱铰机构”的抗震位移需求超越位移能力的概率,分析结果表明柱端弯矩增大系数大于2.0,框架结构才能达到可以接受的形成“柱铰机构”概率;最后,以6层确定性框架结构为例,通过增量动力分析建立能有效评估柱端弯矩增大系数的易损性曲线。     

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。     

异形柱框架抗震性能试验分析

通过1榀1／3缩尺异形柱框架在高地震烈度状态下的抗震性能试验研究，分析了该种结构的承载力、延性、滞回特性、耗能能力、出铰顺序和破坏机制。试验表明，这种框架结构满足“强柱弱梁”的抗震要求，具有良好的抗震性能。     

钢筋砼框架"强柱弱梁"及轴压比限值的概率分析

本文从可靠度校准的角度分析了现行建筑抗震设计规范“强柱弱梁”和轴压比限值的概率意义。结合框架和节点试验结果，表明现行规范规定的柱梁弯矩比并不能有效地防止柱铰机构的形成不同抗震等级框架的轴压比限值的失效概率相差较大。本又认为，在保证相同的延性失效概率的前提下，可以通过提高柱梁抗弯强度比来放宽规范轴压比的限比的限制。最后，探讨了进一步研究的思路和方法。     

现浇楼板框架结构“强柱弱梁”屈服机制限元分析与研究

结构抗震设计的基本原则之一是保证“强柱弱梁”,设计期望结构在受到强震作用时梁先于柱破坏,通过梁铰消耗地震能量,避免结构倒塌.然而实际震害调查结果表明,框架结构并未实现预期的“强柱弱梁”型的破坏形态,反而更多的呈现为“强梁弱柱”的破坏模式.通过运用有限元软件,重点研究框架梁端两侧不同宽度范围内的楼板对框架结构“强柱弱梁”屈服机制形成的影响,并给出有效翼缘的建议取值以及改进的设计建议.     

对我国钢筋混凝土框架抗震性态控制效果的识别

常规抗震设计中的R-u关系是实现结构抗震性态控制所必须掌握的关键规律,我国规范在R-u关系上与国外有影响规范之间存在着较明显差异.为了判明这种差异对结构抗震性态的影响,完成了严格按我国现行规范设计的各设防烈度分区的典型钢筋混凝土框架结构在多条地面运动输入下的系列非弹性动力反应分析,对这些结构在强震下的非弹性反应性态进行了初步的识别.结果表明,9度区一级抗震等级的柱抗弯能力增强措施及构造措施有效,所形成的以梁铰为主的反应性态预计能较好满足预定的抗震性态要求;而二、三级抗震等级的8度和7度区框架在强震下形成了柱端塑性铰偏多或占主导地位的塑性耗能机构,导致层侧移机构出现的风险增大;与一级抗震等级框架相比,二、三级抗震等级框架的抗震性态相对偏不利.以此为基础,从逐步实现各设防烈度分区结构"等抗震安全性"的目标出发,对我国规范中有关抗震措施规定提出了进一步优化的建议.     

水平地震下钢-混凝土组合框架结构极限抗震与强柱构造

"强柱弱梁"是当前国际上主流的工程结构抗震设计理念,已有地震灾害调查表明,由于地震作用机制的复杂性以及对工程结构极限抗震认识的不足,强震作用后框架结构除出现梁铰的"强柱弱梁"破坏之外,还出现整体倒塌、柱铰以及局部楼层倒塌的"强梁弱柱"破坏。为合理认识各类破坏形式,首先对传统的塑性铰概念细分为"压铰"和"拉铰",指出"拉铰"容易引发结构整体失稳;随后以钢-混凝土组合框架结构为对象,建立并采用实体单元与壳单元为主的组合框架结构有限元精细化抗震计算模型,开展组合结构极限抗震分析,初步探讨各水平地震波工况对组合框架结构位移、应力、轴压比等时程响应以及框架梁柱塑性耗能分配机制、塑性铰形成模式与失效机制的影响规律。分析结果显示:1)柱端拉筋减小了钢管与混凝土之间滑移,从而增大了柱和框架的刚度,降低了钢管和混凝土的应变水平,增大了钢梁的应力水平; 620 cm/s2及以上强度的地震波作用时,柱端拉筋构造可显著减小组合框架结构的最大层间位移角,在接近极限强度的水平地震波作用时,柱端拉筋屈服,框架梁端混凝土板纵筋一般不易屈服; 2)"强梁弱柱"组合框架表现为"约束梁"与"耗能柱",此时框架梁对框架柱约束较强,框架以框架柱耗能为主而梁端仅形成"压铰",此时框架的耗能能力取决于框架柱;"强柱弱梁"组合框架表现为"耗能梁"与"承载柱",此时框架梁对框架柱约束较弱,框架以框架梁耗能为主使得梁端先形成"压铰",当梁端耗能至极限时形成"拉铰"引发框架柱长细比增大,导致框架加速失效,不利于发挥框架柱耗能潜力; 3)柱端拉筋技术的"强柱"构造将提高组合结构的刚度、塑性耗能与抗倒塌能力,强柱构造对以柱耗能为主的6层框架抗震能力提升尤其显著。     

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     

适量注芯混凝土砌块结构模型振动台试验研究

通过对6层适量注芯混凝土小型空心砌块配筋砌体结构模型进行地震模拟振动台试验,分析结构体系的结构动力特性、加速度放大反应、最大层间位移角等,研究其在抗震设防烈度为7度构造措施条件下的结构抗震性能、屈服机制。试验结果表明：配筋砌体模型结构在地震作用下的整体变形仍以剪切变形为主;在输入不同地震波、不同峰值加速度时,结构横向所能承受的输入峰值加速度的平均值比纵向要高,横向变形大于纵向变形,说明结构纵向抗震能力要强于横向;圈梁、构造柱以及水平拉结筋构成的约束体系作用明显,结构在基本烈度地震作用下抗破坏能力较强,能够满足抗震规范规定的在7度区“大震不倒”的要求;结构在罕遇地震作用下也具有相当的抗震能力。     

楼板对钢筋砼异形柱框架破坏机制的影响分析

采用基于柔度法的纤维模型梁柱单元,对按现行混凝土异形柱结构技术规程设计的异形柱框架结构,分别按考虑和忽略现浇楼板及其钢筋对梁抗弯能力的增强作用2种情况,分别进行了单向水平罕遇地震输入下的空间结构弹塑性动力分析.对比分析结果表明,现浇楼板及其钢筋将提高框架梁的抗弯能力,从而改变罕遇地震作用下混凝土异形柱结构的破坏模式,对...     

论地震作用和钢框架板件宽厚比限值的对应关系（上）———我国规范与国际主流规范的地震作用比较

抗震钢框架梁柱截面的板件宽厚比,既是反映钢框架延性的关键指标,也是控制耗钢量的关键指标。框架梁柱截面的板件宽厚比选择,与地震作用下钢框架的受力状态紧密相关。对我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）与国际主流规范的设防标准进行比较,讨论我国抗震规范采用“小震”为基准的弹性设计方式,与国际主流规范以“中震”为基准,并按结构性能折减设计地震作用进行结构弹性设计方式之间的异同。进而,详细比较我国抗震规范与欧洲EC8、日本BCJ等国际主流抗震规范的地震作用计算和底部剪力。比较结果表明,我国抗震规范第一水准设防的地震作用FEk,与欧洲EC8规范性能因子q=4时及日本BCJ规范Ds=0.25时的设计地震作用水平比较接近。所分析内容,是合理借鉴国际主流规范,建立适合我国抗震规范体系的地震作用与框架梁柱截面板件宽厚比限值对应关系的基础。     

大型火电厂钢结构主厂房铰接中心支撑框架体系的振动台试验研究

为获得铰接中心支撑框架结构体系的抗震性能,以位于抗震设防烈度8度区的某大型火电厂钢结构主厂房横向最不利一榀的煤仓间部分为原型,按1∶12缩尺比例设计制作了试验模型,并对其进行了14种地震工况下的模拟地震作用振动台试验。得到了模型结构的动力特性、阻尼比及其在8度多遇、基本和罕遇烈度下的加速度和位移响应等。结果表明:8度多遇地震作用前后结构第1阶频率为4.59Hz,8度罕遇地震作用后,第1阶频率减小为4.40Hz,但梁柱仍然完好,仅有个别支撑和节点板出现了微小的平面外变形。依据试验与有限元分析结果,推算出试验原型结构在三种地震(E l Centro、CholamShandon、人工地震)的多遇烈度以及人工地震的罕遇烈度下,层间位移角均满足我国现行抗震规范要求。该体系在高烈度区也可具有良好的抗震性能。     

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。     

RC梁、柱剪力增大系数取值的有效性

抗震混凝土框架结构的梁、柱剪力增大系数是保证结构抗震安全性的关键指标之一。中国结构设计规范对各抗震等级的剪力增大系数取值作了规定,但却未见有关实际控制效果的研究成果发表。按照现行设计规范设计了3个规则空间框架结构算例,分别位于设防烈度7度(0.15g)区、8度(0.20g)区和9度(0.40g)区。对每个算例进行罕遇地震作用下的非弹性动力反应分析,以不少于90%的梁、柱满足"罕遇地震作用剪力"小于"平均强度抗震抗剪能力"为标准,判断剪力增大系数取值的有效性。当不满足该标准时,调整剪力增大系数取值,直到满足上述标准。结果表明,现行结构设计规范对框架梁取用的剪力增大系数有效,可继续使用;框架柱剪力增大系数取值,在一级抗震等级时过大,在二、三级抗震等级时不满足上述标准。建议了两套柱剪力增大系数的取值方案。     

某平面不规则结构基于两个软件弹塑性时程对比分析

某框架-剪力墙结构位于八度抗震设防区域,其平面投影形状为不对称哑铃型,属于高烈度下的平面不规则结构。采用NosaCAD和Perform-3D结构分析软件对该结构进行弹塑性时程分析,研究该结构在八度罕遇地震作用下的抗震性能。分析结果表明：罕遇地震下,塑性铰首先出现在剪力墙连梁上,部分柱子出现压碎,剪力墙仅出现受拉裂缝。结构最大层间位移角满足规范限值的1/100的要求。构件损坏顺序和损坏位置分布合理,构件损坏过程能耗散一定的地震输入能量。结构可以满足＂大震不倒＂的抗震设防要求。计算结果表明,两个软件结果具有相似性,结构的整体反应、薄弱部位、损伤分布情况等较为吻合。建议在复杂结构设计过程中若具备条件,可采用多软件进行弹塑性分析,取其包络值为判定标准以确保结构安全。     

某平面不规则结构弹塑性时程分析

某框架—剪力墙结构位于8度抗震设防区域,其平面投影形状为折带形,属于高烈度下的平面不规则结构。采用NosaCAD有限元程序建立整体结构分析模型,通过8度多遇和8度罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,计算结构的变形和破坏,研究结构在大震作用下的塑性发展机理。计算结果表明,多遇地震下,结构构件未出现损坏;罕遇地震下,塑性铰首先出现在框架梁、柱上,极少数剪力墙底部出现压碎。结构最大层间位移角1/103满足规范的限值要求。构件破坏顺序及分布有利于耗散地震能量。结构可以满足"小震不坏、大震不倒"的设防要求。