基于概率的单自由度体系震后残余变形计算

准确预测结构的震后残余变形,对于结构震后性能控制及建立考虑可修复性的抗震设计方法具有重要意义。通过对不同参数的双线性单自由度（SDOF）体系分别在100条标准地震动输入下弹塑性地震反应的统计分析,研究了模型参数和地震动不确定性对SDOF体系残余变形和最大弹塑性变形的影响;建立了双线性SDOF体系震后残余变形的概率计算模型。结果表明：不同地震动输入下SDOF体系的残余变形与最大弹塑性变形之比（dR/dm）存在明显的离散性,且离散程度与结构的刚度比、自振周期、相对屈服荷载系数及峰值地面加速度相关;dR/dm的统计分布规律服从对数正态分布,基于该分布函数建立的计算模型可对给定超越概率条件和地震水平下SDOF体系的震后残余变形进行预测。通过典型算例分析认为,可以采用所建议的模型进行SDOF体系震后残余变形分析及可修复性评估。     

结构静力非线性分析与弹塑性时程分析结果的统计关系及残余变形计算

选取100条地震波并标准化为地面峰值加速度为0.1g～0.5g的地震波,采用Takeda和Kinematic恢复力模型对单自由度体系进行弹塑性时程分析;同时使用100条地震波获得的不同阻尼比的弹性加速度反应谱,基于Takeda、Kinematic模型,采用欧洲规范的方法,对单自由度体系进行静力非线性分析;建立静力非线性分析结果与弹塑性时程分析结果的统计关系以及单自由度体系残余变形与最大塑性位移的统计关系。分析表明：弹塑性时程分析结果的平均值与静力非线性分析结果的关系在一定程度上受地面峰值加速度和结构自振周期影响,基本不受结构刚度退化比影响;基于Takeda和Kinematic模型的静力非线性分析结果略低于弹塑性时程分析结果的平均值,而基于欧洲规范方法的静力非线性分析结果则高于弹塑性时程分析结果的平均值;残余变形与最大塑性位移的关系明显受地面峰值加速度和结构刚度退化比的影响。     

基于变形与能量双重准则的钢筋混凝土结构地震损伤评估

为了准确评估结构地震损伤,首先对能力谱法进行改进,考虑高阶模态及动力特性改变对结构地震反应的影响,采用基于能量准则的能力谱和弹塑性需求谱计算结构最大顶点位移。其次,推导多自由度体系(MDOF)与等效单自由度(ESDOF)体系的滞回耗能转化关系,利用多模态ESDOF体系的概念评估结构滞回耗能需求。在此基础上,同时引入结构地震变形与滞回耗能,改进模态往复pushover分析方法(MMCP),采用隐式双参数模型评估结构地震损伤。将该方法应用于两个三层钢筋混凝土框架,结果表明:MMCP分析在一定程度上模拟了地震作用,在精确的结构地震位移和滞洄耗能评估基础上,能够准确地预测结构整体和层间损伤。MMCP法还可以与设计反应谱相联系,使评估结果具有一定的普遍性和安全度。     

考虑性能退化的单自由度体系震致残余位移分析

震损结构的安全评估和防护修复十分重要。震动冲击对结构产生残余变形,而地震下结构的残余位移与峰值位移高度相关,因而可作为震损定量评估的重要依据。基于考虑刚度和承载力退化的单自由度模型(SDOF),选取75条实际地震记录进行弹塑性动力时程分析,研究刚度退化、强度退化及滞回捏缩效应对SDOF体系残余位移响应的影响。结果表明,考虑上述性能退化会对SDOF体系的残余位移分布规律产生较大影响。其中,考虑刚度退化会降低残余位移比,考虑强度退化则会增大残余位移比,且当考虑滞回性能的捏缩效应时,残余位移比分布的离散程度更低。最后得到了以屈服段刚度比表达的残余位移计算式及考虑捏缩效应时的修正系数。研究建议应根据分析对象选用适合的滞回模型,并合理考虑刚度及滞回模型捏缩效应的影响。     

横桥向地震作用下高速铁路CRTS Ⅱ板式无砟轨道-桥梁系统残余变形与钢轨变形的映射模型

我国多数已建高速铁路线路穿越地震频发区，大量高速铁路桥梁-轨道系统面临地震考验。文章结合地震作用下轨道-桥梁系统典型损伤失效特征，综合考虑系统层间传力机制，采用能量方法建立系统层间构件残余变形引起的钢轨映射变形求解通用模型。通过建立考虑层间滞回特性的轨道-桥梁精细化有限元模型，开展轨道-桥梁系统在典型近场地震作用下的非线性动力响应分析，提取层间构件峰值和残余位移以及钢轨残余变形，结果表明：系统损伤主要集中在滑动层及支座。基于文中建立的钢轨映射变形求解通用模型，分别评估滑动层及桥梁主梁残余位移引起的轨面映射变形分量，求得各构件震致残余变形协同影响引起的轨面映射变形几何叠加解，并与有限元结果中的震后钢轨残余变形进行对比，钢轨映射变形叠加解与钢轨残余位移有限元结果吻合良好，有效验证文中建立的钢轨映射变形求解模型。该文建立的钢轨映射变形模型为评估轨道-桥梁系统不同部位震致损伤对震后钢轨几何不平顺影响提供了一种新思路。     

不同地震动特性下RC框架校舍抗震加固残余变形分析

校舍的抗震性能和震后残余变形直接关系到学生的顺利疏散和学校的震后修复,因此,本文以RC框架校舍为背景对其不同地震动特性下的抗震性能和震后残余变形展开研究。首先,介绍了泰州市姜堰区实验小学敏学楼的工程概况和加固方案,并据此建立了结构三维有限元模型,开展了动力特性分析;随后,进行多遇地震作用下的弹性和设防/罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,并以层间位移角为性能指标对结构抗震性能水平进行了评估;最后,以层间残余位移角和顶点残余位移为指标对比分析了近、远场地震作用下的结构残余变形。研究结果表明,近场地震作用下的抗震性能水平和残余变形指标均差于远场地震作用下的结果,其中底层层间残余位移角为远场地震的1. 67倍;加固后结构在罕遇地震作用下的破坏模式由严重破坏降低到了不严重破坏,层间最大残余位移角最大降低了69. 9%,校舍逃生概率和震后恢复能力显著提升。     

旗帜形滞回模型等效阻尼比数值研究

自复位结构在地震作用后能够恢复至初始位置，残余变形极小，其滞回模型通常呈现为旗帜形。针对旗帜形滞回模型的等效线性阻尼比开展了数值研究。通过构建一系列不同滞回参数和等效周期所对应的旗帜形非线性单自由度体系，选取大量的真实地震波记录，分别对非线性体系和等效线性体系进行动力时程计算，发现Jacobsen's Damping Secant Stiffness(JDSS)方法所得到的等效阻尼比存在较大的误差，进而通过迭代计算得到满足误差要求的等效阻尼比，分析了不同参数对其的影响。基于JDSS方法，对数值计算结果进行参数拟合，得出了修正公式，并对其进行验证，结果表明该公式能够满足设计需要。     

自复位耗能结构的概念、分类及研究进展

残余变形对震后结构的整体性能具有重要影响,是基于性能的抗震设计的关键参数之一。为解决传统结构体系残余变形过大的问题,维持结构在震后的正常使用功能,自复位耗能结构(Self-Centering EnergyDissipative Structures,SCEDS)近年来成为国际土木工程领域的研究热点。在特定水准的地震作用下,SCEDS能够降低刚度、抑制地震作用增长、稳定耗散地震能量、对结构实现保护作用,同时利用自身的恢复力消除震后残余变形。首先阐释了控制残余变形对于结构性能的重要意义,总结了实现结构自复位的5个基本原理,并建议了相应的SCEDS的分类;然后对不同类别的典型SCEDS进行了历史回顾和现状总结;最后结合面临的问题展望了SCEDS的发展方向。     

自复位消能桥墩抗震性能研究

介绍自复位消能桥墩的基本概念及研究意义,基于SAP2000平台建立自复位消能桥墩的多弹簧模型,提出用多线性弹性弹簧代替预应力筋,用弹塑性弹簧代替阻尼器的简化数值模拟方法,并对该模型进行Pushover分析,研究自复位组件及耗能组件对桥墩滞回性能的影响。同时对自复位消能桥墩和传统桥墩进行非线性动力时程分析,研究两种桥墩在地震波下的抗震性能。结果表明自复位消能桥墩多弹簧模型地震作用下性能稳定,地震作用下自复位消能桥墩的柱顶最大位移大于传统桥墩,残余位移明显小于传统桥墩结构,桥墩震后性能良好。     

形状记忆金属自复位钢框架抗震性能分析

通过将强震时钢框架结构可能发生较大塑性变形区域的材料更换成形状记忆金属(Shape Memory Alloy,简称SMA)板件制成一种新型SMA自复位钢框架。为考察SMA更换区域对结构滞回性能及复位效果的影响,设计6个单跨2层的SMA自复位钢框架,采用ANSYS软件建立全实体模型进行滞回性能分析。分析表明将结构底层柱根部、顶层节点域及除顶层外的梁塑性铰区材料更换成SMA板,结构滞回曲线呈明显的旗帜状,结构残余变形极小、复位效果最好、经济性最优,但耗能能力较传统结构降低较大。此外,根据优化结果设计4层3跨SMA自复位钢框架,采用ANSYS软件建立多尺度有限元模型,进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。结果表明优化后的结构较传统结构抗侧刚度小、侧向变形大,但震后结构残余变形极小,结构自复位效果较好。     

基于结构精细化模拟分析平台的弯剪纤维单元模型

为模拟钢筋混凝土柱在轴力、剪力和弯矩耦合作用下的非线性滞回特性,利用显式中心差分法,建立一种基于显式算法的弯剪纤维单元模型,并引入到结构精细化模拟分析（RSAPS）平台中。该模型基于Timoshenko梁理论,材料模型选用基于修正斜压场理论（MCFT）的二维钢筋混凝土本构模型。应用RSAPS平台分别模拟往复荷载作用下发生弯曲、弯剪和剪切破坏的钢筋混凝土柱的滞回性能,并将分析结果与试验和未考虑剪切变形的纤维单元模型模拟结果进行对比。结果表明：对于发生弯曲破坏的构件,由于剪切变形较小,未考虑剪切变形的纤维单元和弯剪纤维单元均可以较好地模拟构件的滞回性能;而对于发生弯剪破坏和剪切破坏的构件,采用未考虑剪切变形的纤维单元模型,会高估构件的初始刚度和耗能能力,也会高估其受剪承载力;而所提出的弯剪纤维单元模型能较好地模拟构件的刚度和承载力退化,同时,也能较好地模拟滞回曲线中的捏缩现象,模拟结果与试验结果吻合较好。     

RC联肢剪力墙宏观数值计算模型研究

已有的钢筋混凝土联肢剪力墙宏观数值计算模型在墙体单元和连梁单元连接处采用水平变形协调，即连梁单元的梁端转动与墙体单元水平刚性梁的转动变形相协调。然而，水平变形协调并不能反映墙体和连梁的实际变形协调条件。为此，提出了一种钢筋混凝土联肢剪力墙宏观数值计算模型，该模型中墙体单元为具有分布式剪切弹簧且考虑平面外自由度的三维宏观墙体单元模型，连梁单元为具有3个子单元串联的一维杆单元模型，墙体单元与连梁单元的连接采用竖向变形协调，即连梁单元的梁端转动与墙体单元边垂直杆元的变形相协调。并通过算例对其模拟的准确性进行校验。结果表明：采用竖向变形协调方式建立的计算模型能更加准确地模拟联肢剪力墙的力学行为，提出的钢筋混凝土联肢剪力墙宏观数值计算模型可用于三维的非线性分析，其中墙体单元能更好地模拟剪切变形和面外变形，连梁单元能够更好地模拟与墙肢的变形协调。     

Load-deformation relationship calculation model and seismic performance evaluation of RC columns subjected to flexural- shear failure considering influences of cycle number

为研究不同循环次数地震作用下弯剪破坏型钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能，对2组(8根)不同剪跨比的RC圆柱进行了不同循环次数的拟静力试验。研究了不同加载循环次数作用下弯剪破坏RC圆柱的变形性能和滞回特性，基于试验结果提出了不同加载循环次数下弯剪破坏RC圆柱的荷载-变形关系计算模型和等效阻尼比模型，并给出了考虑地震作用循环次数影响的弯剪破坏单柱墩结构的抗震性能分析方法。结果表明：加载循环次数越多，RC柱剪切效应越显著，水平承载能力和变形能力降低越明显，这一循环退化效应引起的RC柱抗震性能下降现象应在分析中予以考虑；提出的不同加载循环次数下弯剪破坏RC圆柱的荷载-变形关系模型和等效阻尼比模型计算值与试验值吻合较好，可用于考虑不同循环次数影响的地震作用下弯剪破坏RC圆柱荷载-变形关系建立和抗震性能评估。     

考虑加载循环次数影响的弯剪破坏RC柱荷载-变形关系计算模型及其抗震性能评估

为研究不同循环次数地震作用下弯剪破坏型钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能,对2组(8根)不同剪跨比的RC圆柱进行了不同循环次数的拟静力试验。研究了不同加载循环次数作用下弯剪破坏RC圆柱的变形性能和滞回特性,基于试验结果提出了不同加载循环次数下弯剪破坏RC圆柱的荷载-变形关系计算模型和等效阻尼比模型,并给出了考虑地震作用循环次数影响的弯剪破坏单柱墩结构的抗震性能分析方法。结果表明：加载循环次数越多,RC柱剪切效应越显著,水平承载能力和变形能力降低越明显,这一循环退化效应引起的RC柱抗震性能下降现象应在分析中予以考虑;提出的不同加载循环次数下弯剪破坏RC圆柱的荷载-变形关系模型和等效阻尼比模型计算值与试验值吻合较好,可用于考虑不同循环次数影响的地震作用下弯剪破坏RC圆柱荷载-变形关系建立和抗震性能评估。     

碳纤维增强复合材料约束矩形空心墩抗震性能试验研究

为了研究纤维增强复合材料(FRP)约束钢筋混凝土(RC)空心截面桥墩的抗震性能,对水平单向和双向荷载作用下,剪跨比分别为4和8的CFRP约束RC矩形空心墩进行拟静力试验。分析不同试件的破坏形态、滞回曲线、水平力和位移延性。结果表明:通过CFRP布环包约束试验空心墩的塑性铰区,可降低墩柱的破坏位置、减轻损伤程度,并改变剪跨比较小墩柱的破坏形态;明显改善水平双向荷载作用下剪跨比较大矩形空心墩的滞回性能和延性,但是对水平力的提高小于20%。     

基于位移的钢筋混凝土框架结构整体等效阻尼比模型

现有针对钢筋混凝土框架结构的等效阻尼比公式大多使用简化的单自由度滞回模型等效推导得出,难以充分反映结构的整体非线性滞回特征。按现行抗震规范设计了66个不同层数和跨度的规则钢筋混凝土框架结构,并对其进行单向推覆分析,选出其中主要通过梁铰变形耗能的51个结构进行往复推覆分析,基于等能量耗散原则建立了适用的整体等效阻尼比模型,分析表明,基于该等效阻尼比的结构位移需求预测值总体偏低。为此,进一步通过动力时程分析对其进行修正,采用修正后的整体等效阻尼比模型进行拟静力非线性分析,所得结果与时程分析得到的平均最大位移基本一致,说明该模型具有较好的适用性,可以更好地反映结构整体耗能特性。     

Evaluation of maximum seismic displacements of SDOF systems from their residual deformation

The post-earthquake performance level of structures provides a very important source of information both for probable rehabilitation procedures and determination of structural response to probable incoming aftershocks. This performance is described by the maximum deformation which is directly related to structural damage. On the basis of extensive parametric studies on single degree of freedom structures, empirical equations are constructed for a simple and effective determination of the maximum seismic deformation from residual displacements, which can be measured in-situ after strong seismic events. The proposed method is applied both to far-field and near-field ground motions. It is found that the measure of residual deformation can be effectively used to evaluate the post-earthquake performance level of structures.     

Research on seismic behavior of GFRP-reinforced concrete beam-column joints

为提高RC框架结构震后可恢复性，采用GFRP筋替代钢筋应用于混凝土梁柱结构中。以配箍率、轴压比、混凝土强度为变量对梁柱组合体开展了拟静力试验研究。试验中共对8个GFRP筋混凝土梁柱组合体、1个RC梁柱组合体进行了测试，比较了GFRP筋与普通钢筋混凝土梁柱组合体的变形和破坏过程，对比分析了各梁柱组合体的滞回曲线、承载能力、残余位移、能量耗散以及钢筋的应变分布等。试验结果表明：GFRP梁柱顶点残余位移显著下降，较RC柱顶残余位移降低60%左右，但其耗能能力低于RC梁柱节点的；在往复荷载作用下，GFRP筋混凝土梁柱框架破坏符合“强柱弱梁”特征，能够承受较大侧向位移，其在达到5.5%位移角时仍未表现出脆性破坏特征；GFRP筋梁柱组合体承载能力、耗能能力和纵筋利用率随着配箍率、混凝土强度的增加而增大。此外，综合考虑配箍率、轴压比、混凝土强度对GFRP筋梁柱节点核心区受剪性能的影响，提出了该种节点核心区受剪承载力计算方法，并基于国内外相关试验数据对其进行了验证。结果表明，提出的计算式能有效计算GFRP筋梁柱节点核心区受剪承载力。     

钢-连续纤维复合筋增强混凝土柱抗震性能数值分析

在利用OpenSees对钢-连续纤维复合筋(SFCB)力学性能进行较好模拟的基础上,研究配筋率、轴压比、SFCB材性二次刚度比等指标对SFCB柱承载力和变形能力的影响;进而研究SFCB柱在三个不同地震波激励下的最大位移和残余位移响应特征,最后对普通RC柱和SFCB柱的滞回性能进行比较研究。结果表明,①基于材料的复合法则,利用OpenSees分别模拟钢筋和FRP部分,可以较好的模拟SFCB在单向拉伸和往复拉伸作用下的力学特性;②同样配筋率下,较高二次刚度比的SFCB增强的混凝土柱具有较高的屈服后二次刚度,且复合筋中FRP含量的增加有利于提高SFCB柱的变形能力;③提高轴压比对SFCB柱二次刚度有所削弱,而较高SFCB材性二次刚度比可延缓SFCB柱中FRP断裂后由P-δ效应引起的倒塌;④和等刚度配筋率的RC柱相比,8度大震作用下,SFCB材性二次刚度比大于0.15可以实现较小震后残余位移;⑤水平往复荷载作用下的混凝土柱理论和试验分析结果均表明,SFCB柱卸载残余位移远小于普通RC柱,即SFCB柱可以实现较高的震后可修复性。