钢筋混凝土框架结构造价与失效概率之间的近似关系研究

本文以层间位移角作为结构性能参数,分析了钢筋混凝土框架结构层间变形能力,以及在水平地震作用下层间位移反应。考虑钢筋混凝土框架结构材料强度和几何尺寸以及地震作用的不确定性,得出了在设计基准期内结构的失效概率。同时分析了不同设计参数下结构的最小造价,在此基础上,确定了结构最小造价和失效概率之间的近似关系。目的是为采用“投资—效益“准则确定该类型结构目标性能水平提供分析依据,从而为采用基于性能抗震设计理念制定建筑结构抗震设计规范提供基础研究。本文中,结构失效概率指结构最终极限状态的失效概率。     

框架结构性能设计中钢筋混凝土变梁中节点性能指标量化研究

通过分析结构及构件变形与损伤的关系,选取层间位移角作为钢筋混凝土变梁中节点基于性能的抗震设计指标.根据钢筋混凝土结构破坏的特点和框架结构基于性能抗震设计的需要,将钢筋混凝土框架结构性能水平划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌5个层次.在8个钢筋混凝土变梁中节点伪静力试验研究的基础上,根据节点试件的破坏过程、骨架曲线以及结构性能曲线将钢筋混凝土变梁中节点的性能水平划分为“五档”,建议了不同性能水平下钢筋混凝土变梁中节点的变形和相关参数的量化标准,重点以层间位移角为性能指标量化参数,提出了节点基于性能的“五水平”参数量化指标,并结合我国现行规范给出了“三水准”设防目标下的参数量化指标.     

城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能分析

以某城市轨道交通大型地下空间结构工程为背景,研究和分析大型地下空间结构在设防地震和罕遇地震作用下的结构抗震性能。利用MIDAS/GTS大型有限元程序建立三维动力模型,采用时程分析法,获得了结构的变形和内力响应,分析了结构的层间位移差、层间位移角和结构静动力力学特性。基于场地条件下的大型地下空间结构,在设防地震下顶底板处层间位移差最大值为12.00mm,位移角最大值为1/20831/550;在罕遇地震下顶底板处层间位移差最大值为21.82mm,位移角最大值为1/11451/250,总体上满足结构变形要求。研究结果表明:对于大型地下空间结构,在进行结构设计时,除了静力计算工况,应综合考虑抗震工况,开展三维动力时程分析,以便全面掌握其抗震性能;在地震作用下,结构顶板、侧墙和底板等某些部位的内力值较静力计算工况大;大型地下空间主体结构开口处为薄弱环节,应在设计中进行相关加固措施考虑。     

黏滞阻尼器减震框架结构保持正常使用功能的设计要求探讨

《建设工程抗震管理条例》要求两区八类建筑需采用减隔震技术,并保证设防地震时能够满足正常使用要求。目前针对减震结构满足正常使用功能的设计方法尚未达成共识。RISN-TG 046—2023《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》等新编标准针对减震结构提出了系统的基于性能的设计要求。基于一个8层RC框架采用黏滞阻尼器的减震结构案例,按照该标准及其他现行标准的不同要求进行了减震设计,对比了不同设计方案的土建成本及地震响应,并对减震结构的剪力、位移角和构件损伤进行了讨论,结果表明,在进行减震结构设计时,建议按照RISN-TG 046—2023《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》要求控制设防地震下的层间位移角,可按照DGJ 08-9—2013《建筑抗震设计规程》或JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》或GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》)控制承载力,为减震结构保持设防地震下正常使用功能的设计提供参考。     

RC框架结构抗震目标性能水平确定方法研究

在基于性能抗震设计中,要求实现多级设防,目的是使结构抗震设计不仅要保护生命安全,同时也要控制因结构破坏而带来的经济损失,使结构在整个生命周期内费用达到最小。但由于结构抗震设计中存在着大量的不确定因素,使得实现每个性能水平都是不确定的,因此,每个性能水平的目标可靠度究竟取多高才能达到设计要求,是目前抗震设计的一个基本问题。针对这一问题,将地震作用、自重荷载、材料强度等看作随机变量,分析了结构造价与失效概率之间的近似关系,明确了不同性能水平失效概率之间的合理比例关系,采用"投资-效益"准则,且控制人员伤亡率小于社会可接受水平,来确定结构的目标性能水平。以两个钢筋混凝土框架结构为例,说明了该方法的应用。     

基于零阶和一阶优化算法的建筑结构抗震优化设计

针对第三水准“大震不倒”的抗震设防目标,提出一种建筑结构的抗震优化设计方法,依据“用相同的投资获最好的设计”的设计理念,建立了在强烈地震波的作用下,以建筑结构最大的层间相对位移最小化作为优化目标,同时满足体积约束的优化数学模型,并采用动力有限元分析模型和高效的显式动力分析方法进行结构分析获得最大的层间相对位移,采用零阶和一阶优化算法分别求解优化数学模型,在显式动力分析软件ANSYS／LS—DYNA的基础上进行二次开发,实现了一个三维框架结构的抗震优化设计。数值结果表明该方法能获得较高质量的解,经优化设计后建筑结构的抗震性能得到了很大的改善。     

多层RC框架复合结构体系层间刚度优化设计方法研究

历次震害表明多层RC框架结构广泛出现以柱铰机制为根本原因的层屈服倒塌模式,研究表明采用附加抗侧构件形成复合结构体系能有效提高结构的抗地震倒塌能力。以控制多层RC框架各层层间位移一致,避免薄弱层出现为性能目标,提出了一种简单实用的获得结构各层最优抗侧构件刚度需求的设计方法,即基于静力弹塑性分析的刚度迭代方法。该设计方法能够考虑结构非线性性能的影响,并可自主设定设防目标,符合基于性态的抗震设计思想。最后给出一个抗震设计算例,并对其进行了抗震性能评估。     

强震作用下框架结构的优化设计

针对第三水准"大震不倒"的抗震设防目标,提出一种在强震作用下框架结构的优化设计方法.依据"用相同的投资获最好的设计"的设计理念,以在强烈地震波的作用下框架结构最大的层间相对位移最小化作为优化目标,建立了同时满足体积约束的优化数学模型.采用动力有限元分析模型和高效的显式动力分析方法进行结构分析,获得最大的层问相对位移;采用改进的复形法求解优化数学模型;在显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA的基础上进行二次开发,实现了一个三维框架结构的抗震优化设计.数值结果表明该设计方法不一定获得抗震结构的最优设计,但能获得一系列抗震性能良好的设计,具有现实的工程意义.     

基于Pushover方法框排架主厂房地震失效模式研究

鉴于大型火力发电厂框排架主厂房结构质量和刚度分布严重不均匀,传力路径复杂,抗震性能差,研究了其地震失效模式,对结构局部优化,以提高其抗震性能。基于Pushover分析方法,对钢筋混凝土框排架主厂房结构进行了研究。结果表明:在7度罕遇和8度罕遇地震下,结构的层间位移角均未超过现行规范规定的混凝土框架结构的层间位移角限值;结构的薄弱层出现在排架间大平台与运转层和煤斗层与除氧器层,失效模式均为梁柱铰混合模式,其中排架间大平台与运转层破坏严重。     

某新型梁柱节点的装配式钢筋混凝土框架结构基于性能的抗震设计研究

在一种新型无黏结预应力装配式混凝土梁柱框架节点抗震性能试验基础之上，使用基于位移的抗震设计方法对新型框架节点的无黏结预应力装配式钢筋混凝土框架结构进行整体抗震设计研究。首先使用有限元软件sap2000进行预应力三维结构设计并建立相应的有限元模型，同时建立该梁柱节点的梁恢复力模型，进而实现自定义塑性铰本构关系研究该装配式框架结构。使用pushover分析去表征结构的抗震性能，对比研究不同目标位移下的相应性能水平要求。通过施加Y方向均匀分布荷载对结构进行弹塑性推覆分析，对结构的层间位移角、破坏机制进行分析讨论。结果表明：按照"功能良好""生命安全""防止倒塌"三水平的设计均达到预期结果，各层层间位移角和薄弱层的性能均能满足规范的相应要求。并选用三条地震波对结构进行弹塑性动力时程分析，表明基于该新型梁柱节点的装配式结构在基于位移的抗震设计中可以较好满足相关抗震性能水平要求。     

A fuzzy–random analysis model for seismic performance of framed structures incorporating structural and non‐structural damage

Past earthquake experiences indicate that most buildings designed in accordance with modern seismic design codes could survive moderate‐to‐strong earthquakes; however, the financial loss due to repairing cost and the subsequent business interruption can be unacceptable. Designing building structures to meet desired performance targets has become a clear direction in future seismic design practice. As a matter of fact, the performance of buildings is affected by structural as well as non‐structural components, and involves numerous uncertainties. Therefore, appropriate probabilistic approach taking into account structural and non‐structural damages is required. This paper presents a fuzzy–random model for the performance reliability analysis of RC framed structures considering both structural and non‐structural damages. The limit state for each performance level is defined as an interval of inter‐storey drift ratios concerning, respectively, the non‐structural and structural damage with a membership function, while the relative importance of the two aspects is reflected through the use of an appropriate cost function. To illustrate the methodology, herein the non‐structural damage is represented by infill masonry walls. The probabilistic drift limits for RC components and masonry walls from the associated studies are employed to facilitate the demonstration of the proposed model in an example case study. The results are compared with those obtained using classical reliability model based on single‐threshold performance definition. The proposed model provides a good basis for incorporating different aspects into the performance assessment of a building system. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

直接基于位移设计的高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能研究

K形高强钢组合偏心支撑(K-HSS-EBF)是指耗能连梁和支撑采用Q345钢,而框架梁、框架柱采用高强度钢(如Q460)。为研究其在罕遇地震作用下的抗震性能,在试验研究的基础上,采用直接基于位移的抗震设计方法设计了5层、8层和12层算例,分别进行静力推覆分析和动力弹塑性分析,研究高强钢组合偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下层间侧移分布和破坏模式。研究结果表明:直接基于位移的抗震设计方法设计的算例在罕遇地震作用下,结构的层间侧移满足我国现行抗震规范的要求,结构呈理想的渐进式梁铰屈服机构,并证明该设计方法的合理性和可靠性。     

抗震设计中结构的性能等级与设计性能安全指数

通常根据结构的破坏程度可以将结构的破坏划分为：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌等5个阶段。根据这5个阶段,本文将结构在地震过程中的性能极限状态划分为：功能连续极限状态、破坏控制极限状态、控制损失极限状态和防止倒塌极限状态,并以此作为划分结构性能等级的标准。定义结构失效概率的自然对数的负值为设计性能安全指数,通过计算结构失效概率对各构件可靠指标的一阶偏导数的方法,求出结构的设计性能安全等级。这种方法可以考虑建筑结构构件、建筑非结构构件以及其它非结构构件的性能,而且同时可以考虑结构系统总体效应的影响,因而能够比较全面地反映结构的抗震性能等级。     

An evaluation of force-based design vs. direct displacement-based design of jointed precast post-tensioned wall systems

The unique features of jointed post-tensioned wall systems, which include minimum structural damage and re-centering capability when subjected to earthquake lateral loads, are the result of using unbonded post-tensioning to attach the walls to the foundation, along with employing energy dissipating shear connectors between the walls. Using acceptance criteria defined in terms of inter-story drift, residual drift, and floor acceleration, this study presents a multiplelevel performance-based seismic evaluation of two five-story unbonded post-tensioned jointed precast wall systems. The design and analysis of these two wall systems, established as the direct displacement-based and force-based solutions for a prototype building used in the PREcast Seismic Structural Systems （PRESSS） program, were performed at 60% scale so that the analysis model could be validated using the PRESSS test data. Both buildings satisfied the performance criteria at four levels of earthquake motions although the design base shear of the direct displacement-based jointed wall system was 50% of that demanded by the force-based design method. The study also investigated the feasibility of controlling the maximum transient inter-story drift in a jointed wall system by increasing the number of energy dissipating shear connectors between the walls but without significantly affecting its re-centering capability.     

Probabilistic seismic performance evaluation of SMA-braced steel frames considering SMA brace failure

This study explores seismic performance of steel frame buildings with SMA-based self-centering bracing systems using a probabilistic approach. The self-centering bracing system described in this study relies on superelastic response of large-diameter cables. The bracing systems is designed such that the SMA cables are always stressed in tension. A four-story steel frame building characterized until collapse in previous research is selected as a case-study building. The selected steel frame building is designed with SMA bracing systems considering various design parameters for SMA braces. Numerical models of these buildings are developed by taking into account the ultimate state of structural components and SMA braces as well as the effect of gravity frames on lateral load resistance. Nonlinear static analyses are conducted to assess the seismic characteristics of each frame and to examine the effect of SMA brace failure on the seismic load carrying capacity of SMA-braced frames. Incremental dynamic analyses (IDA) are performed to compute seismic response of the designed frames at various seismic intensity levels. The results of IDA are used to develop probabilistic seismic demand models for peak inter-story and residual inter-story drifts. Seismic demand hazard curves of peak and residual inter-story drifts are generated by convolving the ground motion hazard with the probabilistic seismic demand models. Results show that steel frames designed with SMA bracing systems provide considerably lower probability of reaching at a damage state level associated with residual drifts compared to a similarly designed steel moment resisting frame, especially for seismic events with high return periods. This indicates reduced risks for the demolition and collapse due to excessive residual drifts for SMA braced steel frames.     

多层钢管混凝土柱-铰接钢梁-混凝土核心筒结构振动台试验研究

验证研究新型多层钢管混凝土柱-铰接钢梁-混凝土核心筒结构的震损和反应特点。制作9层1/40的缩尺模型进行振动台测试,调查结构的震损特点、动力特性和地震反应。结果表明:震损出现在楼板与钢管混凝土柱、核心筒以及钢梁连接处的楼板上,震损破坏为变形引起的连接构造破坏和结构性破坏;自振周期随震损增加而增大,动力放大效应减小,侧向变形和层间位移显著增大;结构平均最大层间位移角超过规范框架-核心筒结构不倒塌限值的4.08倍而未出现倒塌;外排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;相对于超高层结构,多层结构的剪重比显著增大,未出现因倾覆力矩过大而导致核心筒破坏的情况,较大层间位移角与损伤破坏的相关性提高。     

多龄期钢框架时变损伤模型研究

对3种不同厚度的钢材标准试件进行酸性大气环境气雾加速腐蚀试验,并对锈蚀后的试件进行单向拉伸试验,得到钢材力学性能随失重率的衰变规律。同时考虑构件截面削弱与材料力学性能降低,建立不同锈蚀程度下的钢框架有限元分析模型,利用非线性静力推覆分析得到锈蚀钢框架结构的整体初始刚度随锈蚀程度增大的退化规律,以表征结构因锈蚀造成的损伤。提出同时反映最大变形效应和累积耗能效应的双参数结构整体地震损伤模型,并在此损伤模型的基础上集合钢材材性试验结果及有限元分析结果,提出适用于锈蚀钢结构的"时变"损伤模型。对比分析以层间位移角及时变损伤模型为性能指标建立的不同龄期钢框架结构的地震易损性曲线,结果表明:随着锈蚀程度的增加,在相同地震动强度下结构超越某一极限状态的失效概率均增大。     

钢筋混凝土框架中震可修标准及简化抗震设计方法

本文对国际上主要建筑抗震设计规范中钢筋混凝土框架可修水准的层间位移角限值进行了比较,讨论了国内的一些相关研究结果,结合中国抗震规范确定钢筋混凝土框架中震可修层间位移角限值和屋顶侧移率限值分别为1/150和1/200。采用安全系数的抗震设计表达、论述了对应于结构层间位移角基于承载力的简化抗震设计方法。最后用实例按反应谱分析和弹性时程分析验证了钢筋混凝土框架中震可修层间位移角限值的有效控制作用,初步确定了简化抗震设计方法中梁柱构件的抗震安全系数并分析了提高目前结构抗震安全度的措施。