钢筋混凝土框架结构基于可靠度的最可能倒塌失效模式分析

在建筑结构的抗震设计中,常常希望通过合理的设计,使结构能按预期的强柱弱梁失效模式破坏,通常通过提高柱端弯矩增大系数(COF)使结构满足“强柱弱梁”的要求。该文考虑上层、下层、中间层这3 类层间失效模式,采用结构可靠度理论,对钢筋混凝土框架结构最可能倒塌失效模式及完全梁铰式失效模式的相对发生概率进行研究。算例结果表明:当COF 较小时,结构最可能失效模式为中层失效模式;当COF 较大时,则结构倒塌由上层失效模式控制。研究结果可为罕遇或特大地震作用下结构的抗倒塌设计提供参考。     

不同截面吊脚柱RC框架结构振动台试验研究

为研究山地吊脚RC框架结构的地震响应特征和抗震性能，设计并制作了一个1∶8缩尺的吊脚RC框架模型。通过振动台试验，对结构模型的破坏现象、动力特性、加速度反应、变形特征、楼层剪力和扭转效应进行了分析。结果表明：吊脚RC框架结构的吊脚层和第2层破坏明显不均匀，吊脚层破坏轻微，且坡顶短柱破坏较早，第2层柱底破坏严重，且破坏程度自坡底柱侧向坡顶柱侧递减，结构破坏主要位于吊脚层以上，最终表现为部分柱铰屈服破坏；激励水平大于罕遇地震时，吊脚层的加速度放大系数大于上部结构，楼层剪力的增大程度相对上部结构也更加显著，吊脚层变形不大，结构的最大层间位移角始终在3～4层；结构的最大层间扭转角随地震强度增加自第2层转移至吊脚层。     

钢筋混凝土矩形柱地震破坏模式的概率分析EI北大核心CSCD

鉴于破坏模式对既有钢筋混凝土柱抗震性能评价和震后恢复决策的重要性,从美国太平洋地震研究中心钢筋混凝土柱抗震性能试验数据库(PEER-Structural Performance Database)中收集214根钢筋混凝土矩形截面柱的拟静力试验数据,分析了弯曲、弯剪或剪切三种破坏模式的破坏特征及主要影响因素。根据钢筋混凝土柱塑性铰区截面剪力需求与抗剪承载力的关系,计算了发生三种不同破坏模式时剪力需求与抗剪强度的比值,并分别给出了相应的概率分布函数。结果表明,基于剪力需求和抗剪强度比值的概率分析能够合理地反映钢筋混凝土柱的地震破坏模式。     

基于概率的钢框架结构地震失效模式识别方法

该文定义了构件的截面损伤指标,基于增量动力分析(IDA)方法,对地震输入下结构的失效模式进行分类,进一步统计得出各失效模式下构件端部截面损伤均值。提出基于概率的地震失效模式识别方法,建立各失效模式下结构失效概率关系表达式。基于OpenSees平台,对一个20层benchmark钢框架结构模型进行数值分析,结果表明,根据关键层的损伤状态可以合理地划分失效模式,引入构件重要性系数能较好地反映各构件截面损伤对结构失效模式的影响,基于概率的地震失效模式识别方法能有效的判别结构发生各失效模式的概率大小。     

基于损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化与评估

为避免高层建筑结构由于薄弱层破坏而引起整体倒塌,该文提出基于楼层组损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化方法。该方法通过增量动力分析选择结构失效概率达到50%的峰值加速度为目标地震动,定义楼层组损伤控制函数及失效概率两个性能指标,以构件截面尺寸为优化变量对结构进行优化分析。对一30层钢筋混凝土框筒结构进行优化,并基于PACT（Performance Assessment Calculation Tool）平台对优化前后结构的抗震性能进行评估。结果表明,优化后结构各层层间位移角分布趋于均匀且自上而下损伤逐渐减小,倒塌储备系数增加29.8%;外框架与核心筒修复费用均降低,墙与框架协同作用加强,优化后结构的抗震性能显著提高。     

生土砌块墙体地震失效机理试验研究EI北大核心CSCD

为研究生土砌块墙体的地震失效机理,对基于典型尺寸的实体墙、带门洞墙,以及带窗洞墙等3类墙体1∶2.5缩尺模型试件进行了低周往复水平加载试验,获取了墙体从开裂到倒塌的失效全过程损伤演变规律以及滞回曲线、骨架曲线、延性系数等抗震性能指标,建立了抗剪承载力计算公式,并在相关文献统计数据的基础上探讨了生土砌块墙体的抗震性能评估指标量化取值。研究表明:典型尺寸的生土砌块墙体在地震作用下发生剪切破坏,最终以墙体“X”型主裂缝交汇处砌体被压碎,两侧三角型区域砌体脱落标志着墙体倒塌失效;生土砌块墙体承载能力、变形能力、耗能能力及延性系数均随开洞率增大而降低;采用基于剪摩理论的生土砌块墙体抗剪承载力计算公式可获得与试验误差较小的结果;依据我国现行《建筑抗震设计规范》中抗震性能设计目标划分,给出了无约束生土砌块墙体基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、墙体倒塌5个性能水准的层间位移角上限建议值,分别为1/2 000、1/350、1/180、1/100。     

多层预应力混凝土框架结构基于IDA的地震易损性分析

为研究我国《预应力混凝土结构抗震设计规程》（JGJ40-2004）所规定的PC框架结构轴压比、柱端弯矩增大系数等设计参数取值的合理性,根据该规程设计了6榀轴压比与柱端弯矩增大系数取值不同、抗震等级为二级的PC框架结构,在OpenSees软件中,采用基于材料的非线性纤维梁柱单元建立其数值分析模型,考虑材料、荷载、地震动等参数的随机性,分别对其进行基于增量动力的易损性分析。研究表明:当轴压比相同时,提高柱端弯矩增大系数,或在柱端弯矩增大系数相同时,减小柱的轴压比,均能有效地改善PC框架结构的抗震性能;04规程中规定的二级PC框架结构的柱端弯矩增大系数限值偏小,规程修订时应予以增大,建议≥2.0;04规程中规定的二级PC框架结构的轴压比限值偏大,规程修订时应予以适当减小,建议<0.7。     

基于混合屈服机制的钢管混凝土框架结构试验研究

通过试验探讨了基于混合屈服机制设计的钢管混凝土框架结构的抗震安全性,考察局部屈曲与焊接对结构性能的影响。以屈服柱的宽厚比及节点柱梁强度比为参数设计了两个混合屈服机制框架结构,并对其进行了一定轴力下的低周反复水平荷载试验,根据试验结果分析了框架结构的层剪力-层间位移角关系、屈服柱的变形及损伤等的响应,验证了基于混合屈服机制设计的钢管混凝土框架结构的可行性及抗震安全性。     

配筋加强的掉层框架结构振动台试验研究

为研究《山地建筑结构设计规程(征求意见稿)》提出的配筋加强措施对掉层框架结构损伤及破坏机制的影响,分别依据《建筑抗震设计规范》(GB 50010—2010)和《山地建筑结构设计规程(征求意见稿)》设计和制作了一个6层掉层框架结构1/8缩尺模型,对比分析其振动台试验的试验现象及动力响应。结果表明:模型的加速度响应与加速度频谱和结构自身关系密切;配筋加强后模型承载力有所提高,配筋加强对结构变形的影响随地震强度的增加逐渐显著,最终变形减小,且变形形状不再明显外凹;结构掉层部分的损伤大大减轻,上接地柱的破坏程度有所改善,最大层间位移角的位置向上转移,且上部楼层的损伤程度增加;配筋加强后结构无显著薄弱层存在,表现出更好的整体性。     

多维性能极限状态下基于模糊失效准则的结构概率地震风险分析EI北大核心CSCD

考虑了结构多维性能极限状态的模糊不确定性,建立基于模糊失效准则的概率地震风险分析方法。综合考虑结构和非结构构件的抗震性能,建立多维性能极限状态方程。选择三种隶属函数描述极限状态的模糊性,包括降半梯形分布、降岭型分布和二次抛物型分布,基于地震烈度概率模型,建立基于模糊失效准则的概率地震风险分析表达式。基于SAP2000建立RC框剪结构模型进行分析。研究表明:基于二次抛物型分布的年平均超越概率会随着隶属区间的扩大而减小,而基于降半梯形分布和降岭型分布的年平均超越概率会随着隶属区间的扩大而增大;若隶属区间相同,三种隶属函数的年平均超越概率,从大到小依次为降半梯形分布、降岭型分布、二次抛物型分布;忽略不同工程需求参数性能极限状态的相关性会使年平均超越概率偏低。     

钢筋混凝土框架结构强柱弱梁整体失效模式可控设计

该文发展了钢筋混凝土框架结构强柱弱梁地震整体失效模式可控设计方法。基于能量平衡概念和塑性内力设计机制,提出了改进的能量平衡方程和塑性内力设计方法来实现具有不同滞回性能结构在不同设防烈度下的结构设计。设计了4个具有不同几何配置的结构,并研究了结构沿楼高的强柱弱梁系数分布。分别对结构进行Pushover分析和22条地震下的大震弹塑性时程分析,研究了结构的整体能力曲线、屈服机制、最大层间位移角分布和柱端弯矩需求。分析结果表明,该文所提方法不需要任何迭代便能实现结构预期的抗震性能和整体失效模式,克服了传统抗震设计需不断试凑迭代来满足抗震性能的缺点。     

地震动持时对考虑梁柱节点区不同破坏模式RC框架的地震易损性影响

地震动持时对非弹性结构的累积损伤和破坏有较大影响,但目前抗震分析设计中对地震动持时的规定是不明确的。从美国太平洋地震工程研究中心地震动数据库中选择具有不同持时和加速度峰值的60条地震动记录（PEER）中选取具有不同持时和加速度峰值的60条地震动记录,并划分为长、短持时两组各30条。利用OpenSees分析软件建立了一钢筋混凝土框架-填充墙结构教学楼的三维空间模型。分别以梁柱节点区不考虑非弹性变形、梁柱节点区考虑钢筋黏结滑移、梁柱节点区考虑钢筋黏结滑移和剪切变形三种工况来依次模拟节点区的破坏模式。以此60条地震动记录为输入进行结构的地震易损性分析,得到在五种损伤水平下,对应于不同工况两组持时记录的结构地震易损性曲线,进而评估地震动持时对考虑节点区不同破坏模式结构抗震性能的影响。分析结果表明,相对于短持时地震动记录,长持时地震动记录使结构在相应损伤水平和工况下的超越概率明显提高;同一损伤水平下,按照梁柱节点区不考虑非弹性变形,考虑钢筋黏结滑移,同时考虑钢筋黏结滑移和剪切变形的顺序,长、短持时地震动记录作用下其超越概率均显著提高,且长持时地震动记录对节点区考虑钢筋黏结滑移和剪切变形结构的影响更为明显。     

钢筋混凝土柱地震破坏模式判别的两阶段支持向量机方法

研究提出了一种钢筋混凝土(RC)柱地震破坏模式判别的两阶段支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)方法.根据RC柱的三种地震破坏模式(弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏),建立了 RC柱地震破坏模式判别的两阶段SVM模型;基于270组试验数据,利用十折交叉验证和网格寻优方法确定了两阶段SVM的关...     

OPTIMUM ASEISMIC DESIGN OF MULTISTOREY STEEL FRAMES

The problem of optimum aseismic design of multistorey frames has been cast as a nonlinear programming problem. The multistorey frame has been idealized as a shear beam subjected to ground acceleration represented by white noise. The objective function is the weight of the frame which is to be minimized. The moments of inertia of the columns of different storeys are the design variables. Constraints have been imposed on the upper bound on the probability of failure, defined as the probability that the stresses due to earthquake acceleration exceed the yield stress of the material of the column. An upper bound solution has been obtained. The probabilistic optimum design solution has been compared with the deterministic optimum design solution using the response spectra approach which ignores the randomness of the ground motion. This comparison establishes the compelling need to formulate the problem of optimum design of multistorey frames subjected to strong earthquake motion in a reliability based framework.     

钢筋混凝土柱的“强剪弱弯”可靠性区间分析

在钢筋混凝土结构抗震设计中,"强剪弱弯"是保证结构延性的一个重要设计概念。引进区间变量表达认知不确定性,对钢筋混凝土框架柱进行失效概率区间分析。通过结合代表认知不确定性的区间变量与代表偶遇不确定性的随机变量完成了对不确定性的数学描述。在此基础上,根据对基本事件的包含关系建立"强剪弱弯"区间可靠性概率模型,并从证据理论出发论证了该失效概率区间的上下界实质上等价于证据理论中的信任与似然函数。对于含有区间值不确定性参数的结构承载力计算,将Berz-Taylor模型引进计算过程中,减少由于区间扩张而导致的误差。在数值模拟计算中,运用模拟退火遗传算法(SAGA)确定了"强剪弱弯"的大致设计区间。根据该设计区间构造了特殊的采样函数进行重要性采样模拟从而得到了失效概率区间。误差分析表明该方法具有较好的精度。最后通过算例分析了各设计因素对"强剪弱弯"可靠性的影响,并提出了相应的设计建议。     

考虑梁轴向约束效应的RC梁柱节点受力机理及抗震性能试验研究

钢筋混凝土（RC）框架梁受弯损伤会发生轴向伸长,周边构件（抗侧力构件、现浇板）对梁伸长的约束作用会在梁中产生不可低估的轴力,从而影响梁柱构件和节点的抗震性能以及结构的强震破坏模式。分析了梁中约束轴力对节点抗剪受力机理的影响,设计了6个1/2比例的RC梁柱子结构试件,采用可直接量测约束轴力的等效约束装置代替周边构件对梁伸长的约束作用,通过低周往复加载试验考察了梁轴向约束效应对节点抗剪需求、抗剪承载力以及损伤破坏模式的影响。结果表明,约束轴力对抗剪需求的影响比抗剪承载力的影响明显,梁轴向约束效应产生的轴力较大,且随梁弯曲变形的增大而增加。与无约束试件相比,考虑梁轴向约束效应的试件节点抗剪需求增大了1.14~2.22倍,节点区斜裂缝宽度较大,损伤情况更加严重。     

钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计

两边连接屈曲约束钢板剪力墙具有承载力高、耗能能力强、延性好等优点;而且在结构中布置灵活,能够减小对框架柱的作用力,避免框架柱过早发生破坏.为确定墙体在结构中的布置方式以使结构抗震性能充分发挥,提出了钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计方法.设定结构预期的整体破坏模式和目标位移,基于能量平衡原理计算结构的设...     

On the effect of plastic hinge relocation in RC buildings using CFRP

Relocation of nonlinear inelastic hinges away from the column faces towards the beams using externally bonded carbon fibre reinforced polymer (CFRP) is suggested as a promising method for retrofitting of reinforced concrete (RC) joints. This approach would also prevent the formation of undesirable brittle joint failure. In order to investigate the effects of this type of retrofit in the seismic performance of RC buildings, a numerical investigation pertaining to strengthening of an 8-storey intermediate RC frame using CFRP was conducted. The retrofit strategy focused on the relocation of the plastic-prone region away from the column faces and out into the beams. To pursue this objective, composite sheets were applied at the top and bottom sides of the plastic hinge regions of beams increasing the bending moment resistance. The additional flexural stiffness generated by the composite materials at the beam to column connections is calculated by a comparison of the moment-rotation of CFRP retrofitted and original joints obtained from the finite element analysis. A rigorous seismic assessment of the retrofitted frame was implemented using the nonlinear pushover procedure and the capacity spectrum approach. The analysis results indicate that a rehabilitation design as described combined with the strong-column weak-beam design philosophy would improve the seismic performance of structures significantly.     

尼泊尔8.1级地震钢筋混凝土框架典型震害及讨论

尼泊尔8.1级地震发生2个月后,该文作者随队开展了为期半个月的尼泊尔地震震害调查。该文报道了尼泊尔8.1级地震中3个调查点的钢筋混凝土（RC）框架结构震害特点。调查表明,除少数医院、政府办公楼、学校建筑为正规抗震设计建造外,大部分RC框架结构为自建民居、商铺。被调查RC框架结构的梁、板、柱均采用现浇混凝土,填充墙均采用粘土砖砌筑。震害主要表现为底层或临街楼层（街道高于底层时）框架柱压弯破坏,填充墙倒塌,柱顶水平施工缝处破坏,部分紧邻填充墙的柱顶部剪切破坏,屋顶女儿墙震损掉落,少数结构发生整体垮塌。该文作者对某一典型区域的框架结构进行了详查,得到6个震损结构的尺寸、材料强度和破坏模式,分析表明,具有较小柱轴压比,较大刚重比的结构具有较好的抗倒塌能力。最后,针对尼泊尔RC框架的震害特点,对比我国相关规范规程和以往震害经验,探讨了防止填充墙相邻柱端剪切破坏的措施、防止施工缝对柱的削弱、非结构构件抗震构造措施的必要性,以及震后建筑安全性鉴定的注意事项。     

基于穷举搜索策略与逻辑回归算法的RC柱地震破坏模式判别模型

为了准确判别钢筋混凝土(RC)柱的地震破坏模式,基于穷举搜索策略和逻辑回归算法,提出了一种RC柱地震破坏模式判别的两阶段逻辑回归模型。基于穷举搜索策略,分别遴选了判别弯曲破坏与非弯曲破坏以及弯剪破坏与剪切破坏的最优特征参数;结合最优特征参数和逻辑回归算法,建立了RC柱地震破坏模式判别的两阶段逻辑回归模型;通过与传统方法进行对比分析,验证了该模型的有效性。分析结果表明：该模型不仅构建了特征参数与地震破坏模式之间的显式函数关系,克服了传统“黑盒”机器学习判别方法存在的预测结果解释性较差的缺陷,而且通过合理遴选最优特征参数,在保证判别精度的前提下合理简化了判别模型函数形式,解决了传统机器学习判别方法存在的判别模型复杂程度高、计算效率低的问题;对于RC柱的三种地震破坏模式,该文模型的总体判别准确率均达到90%以上,比经典逻辑回归算法提高5%左右,比传统经验判别方法提高20%左右。