建筑结构抗爆设防性能目标研究

近年来建筑结构的爆炸事件频繁发生,而我国目前还没有统一的建筑结构抗爆设防目标。基于安全性风险评估理论,利用爆炸风险平均发生概率和爆炸风险破坏程度的等级划分,确定爆炸风险的平均影响程度。结合我国《建筑结构可靠度设计统一标准》和实际爆炸事件的特点,提出基于建筑结构重要性的抗爆设防等级分类方法,从而确定抗爆安全等级。根据我国国情综合考虑建筑结构抗爆安全等级和爆炸超压强度等级,确定不同类型建筑结构的抗爆设防指标。建立了以建筑结构设防目标作为工程抗爆设计的基础原则,通过对以往爆炸事件的统计分析,确定不同爆炸超压荷载对人员伤亡和建筑结构损伤程度的设防目标,为建筑结构抗爆设防指标提供一种新的方法。     

爆炸荷载作用下砌体填充墙对RC框架结构损伤破坏的影响

砌体填充墙作为非结构构件在建筑结构抗爆分析中常被忽略,而实际爆炸事故中填充墙多发生严重破坏,从而影响爆炸波的传播及其与结构的相互作用以及结构的损伤破坏等级。基于精细化数值仿真方法评估外部爆炸作用下砌体填充墙对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构损伤破坏的影响。首先,采用LS-DYNA有限元分析软件分别对典型砌体填充墙和含填充墙RC框架的近区爆炸试验进行复现,验证所采用的填充墙简化微观建模方法、材料本构模型和参数,以及任意拉格朗日欧拉爆炸荷载施加方法和爆炸波-结构流固耦合算法的适用性。进一步结合结构混合单元建模方法,开展了美国联邦应急管理署规定的普通轿车炸弹(454 kg TNT当量)在底层边柱位置爆炸下,6度、7度和8度抗震设防烈度的典型6层纯框架和含填充墙框架结构动力行为的数值仿真分析,考察了爆炸波传播路径,以及结构的动态响应、损伤破坏和抗倒塌机制。结果表明：该工况中填充墙能够有效阻挡爆炸波的传播,作用于目标柱相邻内柱上的超压峰值降低95%,减轻了内部构件的损伤程度;但同时加剧了结构迎爆面的损伤破坏,如3种抗震设防烈度的含填充墙框架目标柱柱中侧向位移较纯...     

基于全概率PBEE方法的RC框架结构地震损失分析

结构损伤机制的选择、评价、设计与控制是建筑结构抗震设计面临的热点与难点。定量评价建筑结构地震损失不仅是结构损伤机制选择与评价的重要环节,也是抗震防灾决策的重要依据。以全概率PBEE方法（PEER-PBEE Methodology）为基础,给出了地震损失计算方法和流程,结合工程实际确定了地震损失评估所需考虑的地震动强度范围,归纳总结了RC框架结构各类构件的易损性函数和损失函数。定量评价了按现行规范设计的不同抗震设防烈度的典型多层RC框架结构的地震损失,分析了设防烈度、倒塌风险、构件类别等因素的影响。研究结果表明,该评估方法可为抗震防灾决策提供参考。根据算例分析结果对不同烈度区的建筑结构地震损失控制提出了有关建议。     

柱中拼装RC柱施工阶段轴压性能试验研究

完成了5个柱中拼装RC柱和2个整浇RC柱的轴压性能试验,研究拼装后浇段养护时间对试件施工阶段轴压性能的影响。试验研究表明,不同施工阶段拼装RC柱轴压性能有较大差别。后浇前,拼装RC柱轴压承载力为整浇RC柱的46.2%。后浇后,拼装RC柱轴压承载力随后浇段养护时间的增加而增加,养护28 d的试件承载力为整浇RC柱的87.9%。由于上柱段锥形界面处对后浇段的楔入挤压作用,拼装RC柱后浇段发生明显的侧向膨胀,后浇段箍筋约束作用明显,试件破坏形态有明显的塑性发展过程。对拼装RC柱轴压受力机理进行了分析,提出了拼装RC柱轴压承载力计算公式,计算结果与试验吻合良好。该文成果可为装配式RC结构的工程实践提供参考。     

火灾后钢管RPC柱近距离爆炸残余承载力研究

对梁-柱构件的轴向力和侧向爆炸荷载进行适当简化,提出了一种基于等效单自由度方法的近距离爆炸分析模型。首先对标准火灾和爆炸作用后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete Filled Steel Tubular,简称钢管RPC）柱初始挠度进行估算,然后结合钢管混凝土统一理论给出残余承载力计算公式并对钢管RPC柱的爆炸损伤进行评估。通过大比例模型试验研究了标准火灾后钢管RPC柱的近距离爆炸残余承载力,分析受火时间和爆炸比例距离对残余承载力和破坏形态的影响。结果表明:理论计算结果与试验数据吻合较好,验证了该文计算模型的可靠性。钢管RPC柱的残余承载力损失范围为16%~67%,火灾和爆炸作用对钢管RPC柱承载力产生了不同程度的毁伤,且残余承载力对受火时间更为敏感。其中,仅受火105 min的钢管RPC柱承载力下降60%,而仅遭受爆炸作用的承载力下降16%;经历火灾作用再遭受爆炸荷载的钢管RPC柱承载力损失高达67%。对5根钢管RPC柱进行爆炸损伤评估: 1根为轻度破坏,2根为中度破坏,2根为重度破坏,表明钢管RPC柱具有良好的抗火性能和抗爆性能。     

矩形RC桥墩变形能力概率模型

桥墩是桥梁抗侧力体系中的关键构件。为实现基于概率和性能的桥梁抗震设计的多级性能目标,有必要给出桥墩在不同性能极限状态下的概率能力。基于已有研究工作,将RC桥墩的抗震性能水平划分为五个等级,并定义了相应的性能极限状态。采用等效集中塑性铰理论,推导并建立了各性能极限状态下RC墩柱变形能力的确定性计算公式;基于183个矩形RC墩柱试件的拟静力试验结果,通过多元回归分析,确定了各计算公式中与轴压比、长细比和配箍特征值等设计参数相关的待定系数。基于确定性计算模型和拟静力试验结果,考虑认知不确定性,建立了矩形RC墩柱变形能力的概率模型。通过实例分析,表明该模型可用于基于概率和性能的桥梁抗震设计和抗震 评估。     

爆炸荷载作用下FRP管-混凝土-钢管组合柱动态响应的数值模拟研究

针对FRP(纤维增强复合材料)管-混凝土-钢管组合柱的抗爆性能,采用非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA进行数值模拟研究。分析了组合柱在爆炸荷载作用下的破坏形态、不同比例距离以及不同厚径比情况下的动态响应。结果表明:在爆炸荷载作用下,组合柱损伤程度明显降低;随着比例距离逐渐增大,FRP材料组合柱的中部水平位移峰值显著降低;随着厚径比增大,组合柱刚度逐渐增强,组合柱中部水平位移峰值也显著降低。因此,该类组合柱具有优越的抗爆性能。可为该类型组合柱的抗爆设计以及进一步研究提供参考。     

高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固RC板抗爆性能试验研究

为了研究高强钢丝绳网片-聚合物砂浆对钢筋混凝土(RC)板的抗爆加固效果,对5块加固RC板和1块未加固RC板进行了野外现场爆炸试验,研究了砂浆强度、钢丝绳间距、钢丝绳预应力和界面增设销钉等因素对试件的破坏形态、裂缝分布及发展、跨中位移、钢筋应变等影响规律,并对爆炸试验后的试件进行了剩余承载力试验和爆炸损伤评估。研究表明:高强钢丝绳网片-聚合物砂浆加固能显著提高RC板的抗爆性能,相比于未加固板,加固板的裂缝宽度,板底跨中的峰值位移、残余位移和钢筋应变均大幅减小;加固后,构件剩余承载力大幅增加,其损伤程度大为降低。     

典型地铁车站柱在爆炸荷载作用下损伤评估方法研究

随着恐怖爆炸袭击威胁增加,地铁内部发生爆炸概率增大。地铁车站柱作为主要承载构件,当其遭受近距离爆炸荷载作用后,需要对其进行爆炸荷载作用下的损伤评估,评价其损伤等级进而进行整体结构安全性鉴定。利用有限元分析方法,建立"炸药-空气-混凝土柱"耦合分析模型,通过已有试验验证了模型适用性。提出了基于承载能力的地铁车站柱的损伤评估方法,将地铁车站柱损伤破坏分为不同损伤等级,对典型地铁车站柱在不同炸药作用下的损伤进行了评估。利用耦合计算模型和评估方法,可以实现对钢筋混凝土地铁车站柱在近距离内爆炸荷载作用下的损伤评价和抗爆设计。     

化爆作用下FRP加固RC板的试验研究及动力响应分析

我国20世纪60年代、70年代修建的大量防护工程抗力等级较低,急需进行加固补强。进行了化爆作用下,外贴FRP条带加固钢筋混凝土(RC)双向板抗爆性能的试验研究。按介质-结构相互作用理论确定结构的爆炸冲击荷载,建立了加固板的三折线弯曲抗力模型,利用虚功原理建立了加固RC板的运动微分方程,按数值方法求解了外贴FRP加固双向板在化爆冲击波作用下的动力响应时程,分析结果与试验结果吻合较好。研究结果表明:外贴FRP条带加固可以有效延缓混凝土的开裂、限制裂缝的开展,提高RC双向板的刚度,减小结构位移,减轻结构破坏程度,外贴FRP加固RC双向板的抗爆炸冲击波能力得到了明显提高,外贴FRP条带在极限状态时发生了剥离破坏和断裂破坏。     

内置碟簧自复位混凝土剪力墙基于性能的截面设计方法

内置碟簧自复位混凝土剪力墙主要由墙体及墙脚两侧的碟簧装置组成,碟簧装置具有较高的抗压能力,卸载后能恢复到变形前的状态,为墙体提供恢复力,减小结构的震后残余变形。为了较好地设计内置碟簧自复位混凝土剪力墙,该文提出基于性能的截面设计方法。定义了四水准下结构的性能目标和损伤状态,直接基于第三水准下的位移目标设计剪力墙截面尺寸,碟簧装置几何尺寸、承载能力和变形能力。根据自复位剪力墙截面的受力分析,推导其承载力理论计算公式,并对设计的内置碟簧自复位混凝土剪力墙进行弹塑性分析。结果表明,按该方法设计的自复位剪力墙具有较好的复位能力,墙体的损伤也得到有效控制,在位移角分别为0.5%和1%时,残余位移角仅分别为0.012%和0.022%,损伤指标分别为0.12和0.21,符合基于性能的设计目标。推导的理论计算公式能很好地评估剪力墙的承载能力,计算结果与有限元模拟结果吻合较好。     

纤维网格高延性混凝土加固RC柱抗剪性能试验研究

箍筋配置不当、剪跨比较小和轴压比较大的钢筋混凝土(RC)框架柱在地震作用下通常发生脆性剪切破坏。为提高框架柱的抗剪性能,提出采用碳纤维(CFRP)网格和高延性混凝土(HDC)复合加固RC柱。设计了6个RC柱试件,通过低周反复荷载试验,研究加固方式、纤维网格层数和轴压比对加固柱破坏形态、受剪承载力、延性及耗能能力的影响。结果表明：采用HDC和CFRP网格复合加固,可显著提高柱的抗剪承载力,明显改善其延性、变形性能和耗能能力;提高加固层的网格层数,对抗剪承载力影响较小,但加固柱的延性和变形能力得到较大改善;轴压比增大,复合柱的抗剪承载力稍有提高,但试件的延性、变形能力和耗能能力均降低;增加网格层数对高轴压比加固柱的增强效果和对低轴压比柱基本一致。最后基于桁架-拱模型,提出加固柱的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验值吻合较好。     

Simplified approach for evaluating residual strength of fire-exposed reinforced concrete columns

An approach for evaluating residual strength of reinforced concrete (RC) columns is presented in this paper. The approach is based on the maximum temperature attained in the concrete core and rebars, and associated reduction in strength of steel and concrete. For validating the proposed approach, post-fire residual strength tests were carried out on five high strength concrete columns. The test variables included type of concrete, presence of fibers (polypropylene and/or steel) in concrete and load ratio. The columns were loaded and exposed to a design fire, allowed to cool, and then residual strength tests were carried out. Results from these fire tests indicate that high strength concrete columns retain most of their room-temperature load carrying capacity after exposure to a design fire. A comparison of residual strength predictions with measured values from tests indicates that the proposed approach is capable of predicting the residual strength of fire-exposed RC columns.     

矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点力学性能试验研究EI北大核心CSCD

针对矩形钢管混凝土柱-混凝土梁连接节点在高层建筑工程中存在传力不直接,施工难度大,施工质量难以保证的问题,结合北京CBD核心区Z13地块超高层项目,提出了矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点,对不同配筋率的矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点试件进行低周往复加载试验,研究节点的滞回性能、破坏形态、耗能能力和延性等力学性能。并与传统的矩形钢管混凝土柱-混凝土梁焊接牛腿式连接节点和矩形钢管混凝土柱-混凝土梁套筒牛腿式连接节点进行性能对比。在试验基础上,对矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点受力性能进行理论分析并推导适用的设计公式。结果表明:矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点与另外两种类型节点相比有较强的承载能力,能够满足“强节点,弱构件”及传递竖向荷载的结构设计要求,并且便于施工、质量可靠。在此基础上进行理论分析,提出节点受弯承载力设计公式并推荐型钢牛腿截面按照承担梁端剪力80%进行截面设计,为矩形钢管混凝土柱-混凝土梁穿筋节点设计提供技术支撑。     

含端板螺栓连接耗能梁段的高强钢框筒结构基于性能的塑性设计方法研究

含端板螺栓连接耗能梁段的高强钢框筒结构(SFTSs)可以有效改善传统钢框筒结构的抗震性能,且可实现震后功能可快速恢复,是一种新型的高层可恢复功能结构。由于现行规范的抗震设计方法无法准确预测和控制结构的弹塑性性能,可能会使结构损伤集中于个别楼层出现薄弱层。为了设计具有理想失效模式的SFTSs,建立该结构体系“小震不坏,中震及大震可修,巨震不倒”的四水准抗震设防性能指标。考虑不同地震水准作用下的性能目标,采用三线型的能力曲线对传统的基于能量平衡的塑性设计方法进行改进,且考虑结构高阶振型和屈服后刚度的影响,提出了SFTSs基于性能的塑性设计方法。采用建议的设计方法设计了一个30层的结构算例,并基于OpenSees对结构算例进行弹塑性时程分析。结果表明:采用提出的设计方法设计的结构算例能够实现结构预期的失效模式以及不同地震水准作用下的性能目标,结构具有良好的抗震性能,验证了所提出的基于性能的塑性设计方法的有效性,可以为SFTSs的工程设计提供参考。     

桥梁结构基于性能的抗震设防目标与性能指标研究

针对我国公路桥梁抗震规范中,地震作用水平相对单一且从E1地震到E2地震的重现期相差较大的现状,提出E1’地震作用水平和E2’地震作用水平,取其50年内的超越概率分别为40％和2％～3％;将桥梁结构划分为“五档”性能水平,结合4个地震作用水平,建立17个结构抗震性能目标和“四水准”的抗震设防目标;建立桥梁构件对应其力学性...     

改进响应面法计算钢筋混凝土框架体系可靠度

钢筋混凝土框架结构体系可靠度是评定结构抗震性能的重要指标,也是对既有结构进行加固的评估基础。以框架底层柱端极限弯矩承载力作为参考变量可有效评估框架结构体系可靠度,该方法采用Pushover静力推覆分析,通过研究框架结构底层柱端极限弯矩承载能力对Pushover曲线的影响规律,由Pushover曲线上的基准点推广得到结构失效响应面,从而计算出结构体系可靠度。应用该方法对一榀钢筋混凝土框架进行了体系可靠度计算,计算结果与直接响应面法和蒙特卡洛法分析结果进行对比,结果表明,该方法计算快捷,且能够很好地评估出框架体系抗震可靠度。     

钢筋混凝土矩形空心桥墩抗震性能

针对钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩基于性能抗震设计所需要的性能量化参数和抗震性能问题,该文对高宽比、轴压比、纵向和横向配筋率不同的12个约束良好的RC矩形空心桥墩,开展了恒定轴力作用下的水平循环荷载试验研究,并把试验观测到的桥墩主要损伤状态与工程设计参数联系起来,以满足基于性能抗震设计所需要的量化指标。在此基础上,基于OpenSees软件平台,采用纤维模型对试件体桥墩的滞回性能进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合良好。结果表明:使用累积概率曲线,可以较好地把混凝土开裂和剥落等主要损伤状态与混凝土压应变和纵向钢筋拉应变等工程极限状态联系起来,为基于性能的桥梁抗震设计提供量化指标。试件体桥墩的延性系数在3.71~8.29,等效粘滞阻尼比在0.19~0.31,延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求。该横向配筋构型的RC矩形空心桥墩,可以作为当前我国公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)矩形空心截面横向配筋构型的一种补充。