地震作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌极限状态可靠度分析

将结构连续倒塌的全概率方法应用于地震作用下的结构整体连续倒塌极限状态可靠度分析,采用构件可靠度方法对结构进行地震作用下最可能失效构件的识别,基于改进点估计法的随机Pushdown方法和随机竖向增量动力分析(竖向IDA)方法,进行完好和损伤结构的概率抗竖向连续倒塌能力分析及参数灵敏度分析。采用整体可靠度方法,分析了损伤结构的竖向连续倒塌条件失效概率。基于系统可靠度理论和全概率方法,分析了RC框架结构发生侧向增量倒塌以及构件地震损伤引起的结构竖向连续倒塌的联合失效概率。分析结果表明,按照我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构具有良好的抗连续倒塌能力。     

RC框架-核心筒结构弹塑性分析模型与典型算例分析

在PERFORM 3D软件中,建立了基于纤维模型理论、适用于钢筋混凝土(RC)框架-核心筒结构抗震性能评估的弹塑性分析模型,并给出了非线性模拟中所需要的钢筋及混凝土材料本构、连梁剪切铰变形性能等其他参数建议取值。完成了多个RC框架及剪力墙构件模型试验的模拟分析,表明建议模型对于分析RC结构基本构件具有较高的准确性,计算效率高。利用建立的分析方法,完成了根据中美抗震设计规范分别设计的两座相似的RC框架-核心筒高层结构的建模和系列抗震分析。结果表明:峰值荷载前两个方案的基底剪力-顶点位移曲线比较接近,美方设计方案结构的初始刚度略大,峰值荷载后二者有所差异;模型结构的屈服次序依次为连梁、框架梁、墙肢、框架柱,屈服次序合理,符合预期目标,美方设计方案连梁屈服较早;在罕遇地震作用下,美方设计方案结构x向的最大层间位移角约1/220,为中方设计方案的最大层间位移角的0.9倍;美方设计方案的连梁变形状态介于生命安全状态(LS)与防止倒塌状态(CP)之间,中方设计方案连梁没有超过生命安全状态(LS);美方设计方案底部内筒外壁受拉侧墙肢弯矩沿层高分布略大于中方设计方案,两个方案底层墙肢边缘构件竖向钢筋的最大拉应变分布接近,均刚刚进入屈服水平。     

钢筋混凝土框架结构连续倒塌的竖向非线性动力分析

结构的连续倒塌分析（PCA）是结构抗连续倒塌能力定量评定和抗连续倒塌设计的基础,已成为当前国内外土木工程界的热点研究领域。本文基于备用荷载路径原理,采用考虑构件失效时长的竖向非线性动力分析方法,对钢筋混凝土平面框架结构进行了竖向连续倒塌分析,根据损伤结构的反应判断剩余结构能否抵抗连续倒塌,分析中考虑了将同一轴线不同楼层的框架柱逐根移除和将同一轴线所有楼层的框架柱同时移除这两种情况对结构倒塌失效模式的影响,探讨了失效时长对结构动力响应的影响,发现构件失效时长对剩余结构的响应有重大影响。研究表明,竖向非线性动力分析方法是结构抗连续倒塌设计与抗连续倒塌能力分析的一种有效方法。     

海南海花岛飞机楼(WG8栋型)超限高层罕遇地震作用反应分析与设计

海南海花岛飞机楼(WG8栋型)为钢筋混凝土剪力墙结构的超限高层建筑。对超限高层飞机楼的超限项进行了分析,并对其在罕遇地震作用下进行了规范谱罕遇地震反应分析和动力弹塑性时程反应分析。分析结果表明:等效大震作用下,剪力墙能够保证抗剪截面及抗剪、正截面不屈服的性能目标;弹塑性时程作用下,层间位移角满足规范要求;具有相当比例框架梁及连梁形成塑性铰耗能,剪力墙钢筋应变基本处于第一应变状态,剪力墙损伤程度较小,形成了"强墙肢弱连梁"机制;阳台转角梁在协调各墙肢变形的同时承受了较大竖向荷载,应适当加强其抗弯抗剪配筋,使之发挥耗能构件的同时仍具备一定的竖向承载能力。     

基于构件性能评估的RC框架结构中震与小震设计对比研究

考虑不同的设防烈度、结构高度、场地土类别,建立了18组RC框架结构,分别按照小震、高规中震、广东高规中震3种方法进行设计,对比中震设计对框架结构梁、柱截面尺寸和纵筋、箍筋配筋量的影响。以第一竖向构件失效准则作为结构倒塌的判定依据,基于增量动力分析(IDA)方法对结构进行倒塌易损性分析。结果表明:1)中震设计与小震设计相比,梁、柱截面面积约增大20%,梁纵筋配筋量增大50%～160%,柱纵筋配筋量增大20%～100%,梁、柱箍筋几乎没有变化;2)采用3种设计方法的RC框架结构均满足"大震不倒"的设防要求;3)3层RC框架结构抗倒塌能力:广东高规中震设计高规中震设计小震设计,随着层数的增加和设防烈度的提高,结构的抗倒塌能力逐渐变为:小震设计广东高规中震设计高规中震设计。     

基于倒塌分析的板柱-剪力墙结构抗震性能研究

为准确揭示板柱-剪力墙结构抗震薄弱部位和地震作用下的倒塌机制,基于ABAQUS软件显式计算平台进行二次开发,开发的程序可对地震作用下的建筑结构进行倒塌数值仿真。首先,从构件和整体层面对开发程序计算结果的可信性予以验证。其次,结合某板柱-剪力墙结构工程实例,进行中震、大震、超大震弹塑性时程分析及倒塌数值仿真。通过对比分析,认为精细化弹塑性时程计算分析成果优于等效弹性算法,设置暗梁对提高结构抗倒塌能力作用显著。提出通过适当增加底部楼层墙厚和主要墙肢配筋率来提高结构抗倒塌能力的方法,该方法既能显著提高结构的抗震性能,又确保最大程度考虑经济性因素。     

强震作用下斜拉桥模型的倒塌破坏模式

基于斜拉桥模型地震模拟振动台试验和LS-DYNA显式积分有限元模型,提出了相应的构件失效准则和结构倒塌失效准则,对斜拉桥在强震作用下单一构件破坏模式以及多构件破坏耦合作用的倒塌破坏模式进行了分析和探讨。研究表明:考虑单一构件破坏时,支座失效和拉索脱锚是强震作用下斜拉桥的主要破坏模式;考虑多构件破坏耦合作用时,不同地震波的频谱效应对斜拉桥模型的倒塌模式影响较大,卓越周期较长的地震动作用下斜拉桥发生倒塌破坏的危险性较高,且倒塌均是由于边支座脱空、拉索脱锚、主梁下坠,导致主梁端部竖向位移达到倒塌限值而发生;斜拉桥模型在仅考虑单向地震动输入作用下发生倒塌的危险性要明显小于双向和三向地震动输入的情况。     

RC框架梁板柱空间协同抗倒塌机制非线性仿真分析

现浇楼板对RC框架结构的承载性能有影响,准确分析考虑楼板贡献的RC框架结构抗倒塌性能与机制很有必要。采用基于三维实体退化虚拟层合单元理论的非线性有限元分析程序VFEAP,先分别对水平荷载作用下2层RC框架抗侧试验模型和竖向荷载作用下2层RC框架底层中柱失效抗倒塌试验模型进行梁板柱空间协同非线性分析,仿真模拟结果与试验结果吻合良好,表明分析程序具有很好的适用性;据此,再对10层九宫格平面RC框架结构进行底层内柱失效情况下竖向连续性倒塌全过程仿真分析与研究,根据分析结果得出,失效柱贯通十字梁格区域,几乎全部楼板始终处于偏心受拉状态,明显呈现板膜偏拉受力机制;与失效柱相连的贯通梁因楼板参与受力未出现压拱和悬链线机制,始终以梁抗弯机制为主,局部区域处于偏心受拉状态,可为完善梁板柱协同抗倒塌机制研究提供参考。     

基于材料损伤和失效准则的钢结构在强震下倒塌模拟分析方法

首先介绍目前结构倒塌模拟分析中存在的主要问题,之后基于材料的损伤和失效准则,提出一种适用于钢结构在强震下的倒塌模拟方法。详细介绍这种方法的原理和步骤,以一个含有薄弱层的8层钢框架结构为例进行方法验证。定义钢材的初始损伤,采用线性准则定义钢材的损伤演化规律,通过通用接触算法来模拟单元间的接触行为。获得模型的宏观倒塌形态,探讨模型倒塌前后典型楼层的水平加速度反应和竖向加速度反应的变化规律,并与相关试验研究结果进行比较,研究模型关键构件的滞回特性和失效机理。分析结果显示,所采用的基于材料损伤和失效准则的倒塌模拟方法能客观地描述结构构件累积损伤和失效的过程,同时也能较为准确地再现结构的倒塌形态。     

螺栓连接装配式多层剪力墙抗震性能试验研究

提出了一种应用于装配式多层剪力墙结构水平接缝与竖向接缝的螺栓连接节点.设计了4个分别带有竖向与水平接缝连接节点的装配式多层剪力墙试件,为了其结构性能,试件的配筋率有所放松且未设置边缘构件.通过进行抗震性能试验,得到了螺栓连接装配式多层剪力墙构件的破坏模式,分析了其受力机理.研究结果表明,螺栓连接装配式多层剪力墙受力特点与装配整体式剪力墙区别较大.装配式多层剪力墙试件破坏模式为水平接缝的弯曲破坏,初始刚度、承载力和延性可以满足多层结构的能力需求,但应分别验算构件和水平接缝的承载力;所有试件水平接缝未发生剪切破坏,带有竖向接缝剪力墙的竖向接缝在层间位移角超过1/300后出现显著滑移,各预制部分逐渐独立受力,超过1/167后完全失效.建议螺栓连接的装配式多层剪力墙在进行结构分析时,在小震作用下采用整体墙肢模型,在中震和大震作用下采用独立墙肢模型.     

Stochastic seismic collapse and reliability assessment of high‐rise reinforced concrete structures

To provide knowledge beyond the conventional engineering insights, attention in this work is focused on a comprehensive framework for the stochastic seismic collapse analysis and reliability assessment of large complex reinforced concrete (RC) structures. Three key notions are emphasized: the refined finite element modeling and analysis approach towards structural collapse, a physical random ground motion model, and an energy‐based structural collapse criterion. First, the softening of concrete material, which substantially contributes to the collapse of RC structures, is modeled by the stochastic damage constitutive model. Second, the physical random ground motion model is introduced to quantitatively describe the stochastic properties of the earthquake ground motions. And then the collapse‐resistance performance of a certain RC structure can be systematically evaluated on the basis of the probability density evolution method combining with the proposed structural collapse criterion. Numerical results regarding a prototype RC frame‐shear wall structure indicate that the randomness from ground motions dramatically affects the collapse behaviors of the structure and even leads to entirely different collapse modes. The proposed methodology is applicable in better understanding of the anti‐collapse design and collapse prediction of large complex RC buildings.     

钢筋混凝土框架结构抗层屈服倒塌能力评价方法研究

在框架薄弱层进入塑性工作阶段后，地震反应将大幅衰减，如地震持续作用，或者再遭遇较大余震时，结构可能会倒塌。通过分析钢筋混凝土框架薄弱层承载力退化和刚度退化，探讨发生落层倒塌的内部原因和外部条件，揭示框架薄弱层倒塌临界状态应遵循的变形准则和稳定准则。通过分析试验数据，阐述基本原理，推导计算公式，提出了基于Pushover分析的钢筋混凝土框架抗层屈服倒塌能力评价方法。研究结果表明，钢筋混凝土柱端弹塑性损伤是薄弱层承载力和刚度退化的内在原因，竖向荷载引起的等效负刚度是抗侧刚度丧失的外部条件；影响抗倒塌能力的主要因素包括竖向动力放大系数λ、刚度退化系数β_u和刚重比ζ，当λ=β_u ζ 时，框架薄弱层处于倒塌临界状态。最后提出了抗地震倒塌需进一步研究的问题。     

基于不同本构模型的混凝土结构地震倒塌对比分析

基于混凝土材料本构模型,结合精细化结构单元模型和高效稳定的数值算法,实现了混凝土结构的动力倒塌全过程分析。对建模方法、结构分析方法、材料与构件失效准则等进行了简要介绍。以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例,分别采用混凝土弹-脆性本构模型、弹塑性本构模型和随机损伤本构模型进行了结构地震倒塌全过程分析。结果表明：混凝土本构模型对结构倒塌分析具有重要的基础地位,本构模型选取不当,将给出错误的倒塌模式或分析结果;混凝土随机损伤本构模型能够准确地预测结构的强非线性行为,可用于复杂混凝土结构倒塌全过程的模拟。     

高轴压比钢骨混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为研究高轴压比钢骨混凝土剪力墙的抗震性能,完成了6片剪跨比为2.43、轴压比试验值为0.33~0.35的钢筋、钢骨和钢管混凝土剪力墙试件的往复水平力加载试验。试验表明:试件的纵筋和钢骨(钢管)受压屈服先于受拉屈服。试件的破坏形态为底部混凝土压碎剥落,约束边缘构件内的纵筋和钢骨(钢管)压曲,试件丧失竖向承载力。钢骨和钢管提高了试件的正截面承载力,且随位移增大试件能稳定地保持最大承载力。配置工字钢、槽钢和方钢管的试件的极限位移角为1/73~1/59,与钢筋混凝土试件基本相同;配置圆钢管的试件的极限位移角达1/44,墙端约束边缘构件配置圆钢管对提高高轴压比剪力墙的变形能力有显著作用。根据试验结果,提出了高轴压比钢骨混凝土剪力墙屈服、承载力极限状态和变形极限状态的截面应变、应力分布,建立了正截面承载力的计算式和顶点水平位移计算式,计算结果与试验结果符合较好。     

底部采用高性能纤维增强混凝土的RC剪力墙结构抗震性能分析

剪力墙结构底部采用高性能纤维增强混凝土材料（ECC）能够减轻底部剪力墙在地震中的损伤程度,提高结构震后可恢复性。为考察底部采用ECC材料后整体结构的抗震性能,以我国抗震设防烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.2g的高烈度抗震设防区RC剪力墙结构为对象,建立了高度、ECC设置高度和剪力墙整体性系数不同的结构模型,并进行有限元动力时程分析,考察底部采用ECC材料的剪力墙结构与普通RC剪力墙结构抗震性能的差别;分析剪力墙结构在罕遇地震作用下发生预期延性破坏模式时的弯矩需求。结果表明,对于位于设防烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.2g抗震设防区的剪力墙结构,将剪力墙底部采用ECC材料后,其在罕遇地震作用下能够耗散更多地震能量,剪力墙开裂的程度和概率明显减小;在剪力墙底部加强区第1~2层采用ECC材料后,ECC层及其相邻上层会发生弯曲破坏;底部加强区第1~3层剪力墙都采用ECC时,剪力墙屈服都集中在ECC层,在罕遇地震作用下ECC层以上剪力墙实现预设延性破坏模式的受弯需求不大于其受弯能力;建议25层以下的剪力墙结构在底部第1~3层范围内采用ECC材料。     

机械铰的量化准则及其在倒塌分析中的应用

为了评估建筑结构的抗倒塌能力,在机械铰理论的基础上,提出了机械铰的量化准则,进行了框架节点的数值模拟,并与节点的试验结果进行对比和验证,最后建立了基于机械铰的结构倒塌判定准则,并对某二层钢筋混凝土框架结构进行了倒塌分析。研究结果表明,相比于塑性铰的倒塌判定准则,基于机械铰的倒塌判定准则更接近于结构的真实倒塌极限,可以更真实地模拟结构的抗倒塌能力。     

成都市规划展览馆辅楼抗连续倒塌评估(Ⅱ)#br# ——基于IDA的弹塑性动力分析

成都市规划展览馆辅楼因建筑功能需要,具有大跨度、大悬挑、竖向抗侧力构件不连续、楼板局部不连续等结构特点。作为城市重要的大型公共建筑,需要评估其地震作用下的抗连续倒塌能力。首先,采用有限元软件Midas Gen建立有限元模型,并基于改进的IK骨架模型,模拟结构在地震作用下的非线性行为;其次,根据结构所在场地类型,选取20条地震动记录,并采用增量动力分析的方法对结构进行三向地震激励下的弹塑性动力分析,在此基础上,定义基于性能的结构倒塌判别准则,分别以结构最大层间位移角和梁端转角为结构损伤指标,根据增量动力分析结果对结构进行易损性分析;最后,根据结构整体的倒塌安全储备能力,评估结构的抗倒塌性能。研究结果表明：在7度罕遇地震作用下,结构发生侧向增量倒塌的概率为0.14%,发生竖向连续倒塌的概率为10.82%;在7度多遇地震和设防地震作用下,结构发生侧向增量倒塌和竖向连续倒塌的概率基本为0。同时,该结构的水平破坏倒塌安全储备系数为2.708,竖向破坏的倒塌安全储备系数为1.469。评估结果表明：该结构在地震作用下具有较好的抗连续倒塌性能。     

大网格混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为适应不超过6层的混凝土网格剪力墙住宅建筑的要求,研发了网格尺寸为400mm×400mm的大网格剪力墙承重体系.通过2个剪跨比为2.02和2个剪跨比为1.13的大网格剪力墙试件的拟静力试验,研究大网格剪力墙的破坏形态、滞回特性、变形能力和承载能力等.试验结果表明:试件横肢两端-竖向裂缝贯通肢高;竖肢水平开裂,端竖肢底部...     

高强混凝土剪力墙性能指标研究

在基于性能的抗震设计中,结构的性能指标是一个必需的重要参数。基于21个剪跨比分别为2.1,1.5和1.0的矩形截面、带端柱和型钢高强混凝土剪力墙的抗震性能试验资料,分析了各种剪力墙的破坏形态。将剪力墙的性能划分为三个水平,即:使用良好、生命安全和防止倒塌,分别给出了剪力墙发生弯曲(弯曲剪切)破坏和剪切破坏时三性能水平的失效判别标准,确定了三性能水平极限状态时各剪力墙的位移角平均值。分析结果表明,高强混凝土剪力墙在三性能水平的位移角分布均基本符合正态分布,其在生命安全和防止倒塌性能水平位移角平均值与FEMA273的建议值很接近,而我国抗震规范建议的弹性位移角限值和弹塑性位移角限值的保证率系数分别为2.18和1.58。根据试验结果,提出了高强混凝土剪力墙结构三性能水平具有95%保证率的位移角限值。     

Nonlinear hysteretic behavior simulation of reinforced concrete shear walls using the force analogy method

Reinforced concrete (RC) shear walls that provide high strength and stiffness are widely used in buildings to resist lateral loads. It often exhibits complex and multiple hysteretic behaviors, including shear behavior, flexural behavior, strength softening, and deterioration, which are often influenced by the reinforcement and concrete material characteristics, vertical loads, and so on. Significant effort has gone toward developing accurate and efficient models, and these models fall into two categories: macroscopic and microscopic models. The microscopic models are accurate but computationally expensive and need more material information and experimental results for calibration. The present research is to implement an existing macroscopic model for use in the force analogy method, which is an accurate, efficient, and stable algorithm for conducting dynamic analysis when coupled with the state space formulation. The RC shear wall model with two vertical sliding hinges and one horizontal sliding hinge assigned to capture the relationship of the lateral deflection or rotation versus the RC shear wall force is validated against prior experimental results. The proposed model is also implemented in a frame, in which inelastic response occurs in both the frame and the RC shear wall members, to demonstrate the application of the model and the potential for simulating complex inelastic dynamic RC frame‐wall structural behavior with the force analogy method. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.