强柱系数基于结构易损性的抗震性能评估

增大柱端抗弯承载力是抗震"能力设计"措施中引导钢筋混凝土框架结构形成梁铰型有利耗能机构的关键措施。本文以6层确定性钢筋混凝土框架结构为分析对象,通过结构易损性分析评估了不同强柱系数取值对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响。结构易损性分析表明增大柱端抗弯承载力是改善结构抗震性能的有效措施,增大强柱系数提高了结构的变形能力,使不同破坏极限状态之间形成较大的"梯度",对防止强烈地震作用下结构的突然倒塌提供了预示。结构易损性曲线对评估结构抗震性能、选用合适的目标强柱系数提供了量化标准。     

汶川地震中某RC框架结构的震害分析与模拟

2008年5月12日,四川省汶川县发生里氏8.0级地震,造成了巨大的人员伤亡以及工程结构震害。本文基于江油市某RC框架结构的震害调查,分析了该框架结果出现底层"薄弱层"和"强梁弱柱"的破坏机制的主要原因。采用该框架结构附近三个台站的主震加速度记录作为输入开展了非线性地震反应分析。研究表明,填充墙的竖向不均匀布置改变了框架的抗侧刚度分布,造成底层薄弱层的破坏现象。底层柱子的轴压比相对较大,塑性变形能力及耗能能力相对较差,使得底层柱的变形量更容易达到其塑性变形极限而发生破坏。由于现浇楼板对梁刚度和抗弯承载力的增强,框架结构很难出现规范中"强柱弱梁"的破坏机制。结构基本周期对应的加速度反应谱值是决定结构地震反应的主要参数,基本周期加速度反应谱值的增加会导致结构塑性铰的迅速发展,造成结构出现柱铰机构而整体失稳倒塌。建议设计框架结构时,尽量避免填充墙的不均匀布置。适当增加底层柱的截面面积和配筋率,降低轴压比以保证良好的延性。梁端负向抗弯承载力计算时采用T型截面,并考虑一定范围内楼板配筋的影响。     

填充墙RC框架结构地震破坏机理及关键抗震措施研究

汶川8.0级特大地震等震害调查结果显示,通常被认为其抗震设计问题已经解决且具有较强抗震能力的RC框架结构,却突出地表现出"强梁弱柱"、"薄弱层"、"短柱失效"等一系列超出抗震设计初衷的灾难性破坏形式。本文以汶川漩口中学倒塌的RC框架结构教学楼的典型震害为背景,通过典型双跨填充墙RC框架结构单元伪静力试验及框架结构模型地震模拟振动台对比试验,结合理论分析和数值模拟,研究了填充墙对RC框架结构破坏机理的作用机制,分析了现浇楼板对实现"强柱弱梁"破坏机制的影响规律,提出了可有效改善RC框架结构抗倒塌机制的技术措施及设计建议。论文主要完成了以下工作:(1)以汶川漩口中学倒塌的教学楼为原型,设计完成了考虑楼板及填充墙影响的4个1/2缩尺的单层两不等跨填充墙RC框架结构模型伪静力试验,研究了2类填充墙材料、3种布置方式对框架结构整体强度、刚度及延性的影响规律,揭示了填充墙及现浇楼板对框架结构不同地震破坏模式的作用机理。(2)基于填充墙RC框架结构伪静力试验结果,采用DIANA非线性有限元分析程序,实现了填充墙与框架间相互作用模拟;分析了填充墙与RC框架结构的相互作用机理,研究了填充墙对典型双不等跨RC框架结构破坏及倒塌模式的影响规律。(3)基于填充墙RC框架结构伪静力试验结果,结合理论分析及非线性有限元数值模拟,系统研究了填充墙RC框架结构中的"短柱"破坏机理。选取实际工程中常用的粘土砖、加气砌块、蒸压砖等3种砌体材料,定量研究了不同填充墙砌筑材料、墙-框界面刚度及填充墙布置高度对RC框架结构"短柱"破坏模式的影响规律,提出了可实现避免短柱破坏的理论判别公式及设计措施。(4)研究提出了可显著提升框架结构整体抗倒塌能力的现浇楼板四角与梁柱有限断开的抗震设计措施。按现行规范设计制作了2个2×2跨、1/5缩尺的4层填充墙RC框架结构模型,通过地震模拟振动台对比试验,验证了横向两不等跨RC框架结构中填充墙及现浇楼板对破坏模式的不利影响;通过振动台试验与伪静力试验及实际震害现象对比分析,揭示了现浇楼板以及填充墙对框架结构破坏模式的作用机理;通过两RC框架结构模型破坏模式对比试验及非线性数值模拟分析,进一步证实规范中试图提高柱端弯矩增大系数的设计方法并不能有效实现预期的"强柱弱梁"破坏机制,而现浇楼板四角与梁柱有限断开的措施可明显提高框架结构的整体抗震性能,有效延迟框架柱的破坏。     

钢筋混凝土梁柱边节点抗震性能参数分析

通过2个钢筋混凝土梁柱边节点的低周反复荷载试验,从骨架曲线、变形能力和耗能等方面对边节点的抗震性能进行了研究,进一步应用有限元程序ABAQUS对梁柱边节点进行有限元参数分析,研究轴压比和配筋率对节点抗震性能的影响。研究结果表明:随着柱端弯矩增大系数的提高,边节点试件的破坏模式从柱端混凝土压溃破坏转变成梁端塑性铰破坏,现行规范规定柱端弯矩增大系数有效实现了"强柱弱梁"预期设计目标;若边节点试件发生梁端破坏,柱轴压比变化对钢筋混凝土节点承载力和抗震性能影响甚微;随着柱配筋率逐步提高,框架梁梁端出现了塑性铰,显著提高了节点的承载力和抗震性能。     

斜向地震作用下钢结构框架破坏机制研究

斜向地震作用是影响框架结构"强柱弱梁"破坏机制的重要因素之一,现行抗震规范钢框架强柱系数没有考虑斜向地震作用的影响。对框架节点受力分析表明:斜向地震作用时实现"强柱弱梁"的强柱系数应大于2~(1/2)。通过对钢框架模型的振动台试验和有限元数值模拟,研究了主轴方向强柱系数1.35的钢框架的破坏机制,表明在主轴方向地震作用下实现了强柱弱梁,而在斜向地震作用下,钢框架发生柱端破坏。建议钢框架结构抗震设计应考虑斜向地震作用的影响。     

框架结构填充墙影响和强梁弱柱成因研究

由于对填充墙影响研究的不足,以及又不属于主体结构的一部分,通常将填充墙作为非结构构件,在抗震设计中往往被忽略,然而在地震中填充墙表现为主体结构构件,决定着整体结构的抗震性能,布置不当往往会导致结构薄弱层或扭转破坏;而对于无填充墙的框架结构在地震中更多的表现为"强梁弱柱"破坏,并未实现预期的"强柱弱梁"延性破坏机制。上述震害现象引起了研究人员极大重视,并开展了广泛研究。本文在系统总结国内外相关研究和深入分析的基础上,结合试验和实际震害,就填充墙对整体结构抗震性能的影响以及"强梁弱柱"的成因进行了研究,主要工作如下:(1)总体上填充墙的存在明显提高了整体结构的抗震性能。在试验基础上,对填充墙框架和空框架结构计算模型进行多遇及罕遇地震下的动力时程分析,对比了两个计算模型的楼     

汶川地震框架柱震害的初步分析

按照框架结构抗震概念设计的要求,结构应具有多道抗震防线,其中一个原则是“强柱弱梁”。但是在汶川地震中,框架结构柱的破坏明显重于梁,柱端与节点的破坏较为突出,即所谓的“强梁弱柱”结构很普遍。在对地震破坏区实地考察的基础上,对框架结构梁柱节点处的破坏以及柱顶、柱脚和柱身的震害进行分类,分析了各种震害的原因,总结了框架结构中框架柱的破坏特点,从期为将来框架柱的抗震设计提供震害经验。     

反复荷载下混凝土框架柱塑性铰区基于延性的抗剪承载力机理分析

在试验研究的基础上,以框架结构延性设计为目的采用桁架＋拱模型研究了框架柱塑性铰区域抗剪受力机理,分析了,位移延性系数、加载循环次数等因素对框架柱构件塑性铰区域剪切受力性能的影响,并结合试验结果提出了混凝土框架柱塑性铰区域剪切承载力抗震延性设计实用公式,可有效实现结构的延性破坏机制。主要为配合GBJ10-89的修订,该成果已被《混凝土结构设计规范》（GB50010—2003）吸收。     

传统框架及楼板局部设缝框架梁端剪力增大系数分析

梁端剪力增大系数是实现结构"强剪弱弯"的关键措施之一。分析了传统框架的梁端剪力增大系数,表明现浇楼板对框架梁端抗剪承载力的影响不可忽略,抗震规范给出的梁端剪力增大系数难以实现梁"强剪弱弯"的抗震要求,由此对框架梁侧楼板局部设缝,以消除楼板对框架梁端抗弯承载力的贡献。进而分析了该楼板局部设缝框架的梁端剪力增大系数,表明当框架底部实配钢筋αAs≤1.1βAs+0.1As时,即框架梁端底部实配钢筋面积不超过该处计算配筋面积的1.1倍与支座负弯矩配筋面积的0.1倍之和时,现行抗震规范给出的梁端剪力增大系数对于楼板局部设缝的框架可以实现"强剪弱弯"的要求,从而使梁弯曲破坏先于受剪破坏。     

现浇板对RC框架结构抗震性能影响的试验研究

为了解现浇板对RC框架结构抗震性能的影响,对两个框架结构进行了水平低周反复荷载试验,分析了其破坏形态、滞回性能、骨架曲线和刚度退化等性能。结果表明:现浇板的存在,提高了框架结构的承载能力,耗能能力变化不大,变形能力降低,破坏机制使其由"强柱弱梁"变为"强梁弱柱"。     

不同柱梁抗弯承载力比对框架结构抗倒塌性能的影响

设计不同柱梁抗弯承载力比(ηc-bua)的5个纤维增强混凝土(FRC)框架结构及3个钢筋混凝土(RC)框架结构,利用性能评估软件Perform-3D进行Pushover及IDA计算分析,得出其破坏机制及易损性曲线。结果表明,柱、梁端部局部采用FRC后,承载力有一定提高,峰值位移有较大提高;ηc-bua对FRC框架结构的破坏机制影响很大;ηc-bua对FRC框架结构地震反应也有一定的影响,其比值越大,超越概率越小,且随期望破坏程度的加重,这种影响也趋于明显,当ηc-bua在1.2以上时,结构的倒塌概率均小于10%,满足大震不倒的概率要求。     

轴压比对RC框架实现“强柱弱梁”的影响研究

针对现浇楼板中板筋对纵向梁抗弯能力的提高作用,采用ABAQUS进行不同轴压比下的RC空间框架结构非线性分析,通过不同节点处的梁、柱钢筋应力对比,讨论了不同轴压比对应的结构和同一结构中不同节点位置在实现"强柱弱梁"上的难易程度以及梁端塑性铰的出现条件。研究结果表明,轴压比对板筋在纵向梁抗弯能力中参与程度的影响较大,低轴压比的结构比高轴压比的结构更容易出现梁端塑性铰;同一结构中内节点对应的纵向梁端比外节点更难出现塑性铰;为实现"大震不倒",建议在满足现行结构设计规范提出的相关要求外,对同一节点处的梁、柱端实际承载能力进行复核,使得考虑了现浇楼板参与作用后的梁端实际承载力依然小于柱端实际承载力。     

新规范框架结构强柱弱梁措施效果评估

为了了解我国新颁布的规范对框架结构强柱弱梁措施提高柱端弯矩增大系数的效果,分别按照新旧规范设计设防烈度7度(0.1 g)3级框架结构和设防烈度8度(0.2 g)2级框架结构,采用时程动力分析程序,输入不同频谱的地震波,计算不同设防烈度框架结构在罕遇地震作用下的结构反应,对比分析框架结构的位移、层间位移角和塑性铰。结果表明,设防烈度为7度(0.1 g)3级框架结构,不同频谱地震波作用下新旧规范楼层顶点最大位移差值不超过1 mm,层间位移角最大差值不超过0.12%,新规范提高柱端弯矩增大系数效果不大。旧规范规定的柱端弯矩增大系数足以保证框架结构大震不倒。设防烈度为8度(0.2 g)2级框架结构,不同频谱地震波作用下新旧规范楼层顶点最大位移差值较明显,层间位移角最大差值不超过0.21%,新规范柱端弯矩增大系数效果明显,但其安全性与设防烈度为7度(0.1 g)3级框架结构相比,仍有较大差距。建议进一步提高其柱端弯矩增大系数,以充分保证其大震不倒的安全性。     

考虑不同配筋率影响的板柱节点抗冲切性能分析

冲切破坏是钢筋混凝土板柱结构的主要破坏形式。通过对ACI318-08、Eurocode 2、GB50010-2010等规范中关于板柱节点受冲切承载力计算公式的对比分析,发现对于板中配筋率的影响可否忽略以及影响程度等问题的考虑并不统一。为深入研究配筋率对板柱节点抗冲切性能的影响,在考虑材料和几何非线性的基础上,通过有限元软件OpenSEES对5个配筋率分别为0.5%(2个)、0.99%、2.0%及3.0%的板柱节点试件进行数值模拟和参数分析,对比分析各试件的承载力、刚度变化过程及破坏特征,发现模拟结果和试验结果吻合较好。研究表明:配筋率是进行板柱节点抗冲切设计不可忽略的影响因素,建议在规范修订中考虑此参数。最后还分析了其抗震性能及混凝土强度对抗冲切承载力的影响。     

HPFL加固钢筋混凝土柱抗震性能影响因素分析

以加筋高性能砂浆(HPFL)加固钢筋混凝土柱水平低周反复荷载试验为基础,通过Open Sees程序建立加固柱的纤维有限元模型,并对模型的有效性和准确性进行验证。以加固柱的配箍率、配筋率、混凝土强度等级和钢绞线数量等为参数,分析了不同因素下加固柱滞回曲线、骨架曲线、承载能力及延性等的变化,系统研究了加固柱的抗震性能。结果表明:随着箍筋配箍率的增大,加固柱的极限承载力提高幅度为5.4%~9.2%,延性提高幅度为10.6%~11.7%;随着纵筋配筋率的增大,加固柱的极限承载力提高幅度为12%~28%,延性提高幅度为11%~15%;随着混凝土强度的增大,加固柱的极限承载力提高幅度为6.3%~10.9%,延性提高幅度为13%~16%;随着钢绞线用量的增大,加固柱的极限承载力提高幅度为4.4%~7.6%,延性提高幅度为2%~6%。     

梁铰型屈服RC框架结构地震弹塑性位移增大系数研究

本文通过弹性和弹塑性时程分析,研究了水平地震作用下梁铰型屈服RC框架模型结构的楼层屈服剪力系数、基本自振周期、楼层数3个因素对弹塑性位移增大系数的影响,通过非线性回归分析给出了弹塑性层间位移增大系数经验公式;通过分析滞回耗能沿楼层高度的分布,初步确定了梁铰型屈服RC框架结构的薄弱楼层位置;基于结构损伤分析,讨论了抗震规范中RC框架结构弹塑性层间位移角限值的水准。     

地震作用下钢筋混凝土框架-填充墙相互作用分析

对带填充墙的钢筋混凝土框架结构进行数值分析,研究填充墙体对框架结构抗震性能的影响。采用有限元软件ABAQUS建立了填充墙框架结构模型,通过数值模拟分别分析了墙体开洞、墙体材料以及填充墙与框架的连接形式在多遇和罕遇地震下对填充墙框架动力响应及损伤的影响。分析结果表明:刚性连接下的填充墙对框架产生了刚度效应,使得其自振周期为纯框架的0.2~0.7倍,导致在地震作用下的响应增大,但填充墙对框架的约束效应限制了框架柱的变形,增大了结构的抗侧承载力;罕遇地震下填充墙与框架存在复杂的相互作用,开洞填充墙对框架柱产生了约束作用,减小了柱的计算高度,满布填充墙对框架产生斜压杆效应,导致柱端出现附加剪应力容易出现剪切破坏。柔性连接下的填充墙对框架的自振周期影响很小,在进行抗震验算时可不进行自振周期折减,在多遇和罕遇地震波作用下的动力响应以及损伤均与纯框架类似,与抗震规范的设计计算吻合,同时也可避免填充墙的破坏。     

反复荷载下钢筋混凝土框架柱抗剪承载力分析

钢筋混凝土框架柱作为高层房屋建筑的主要承重构件,在历次地震中因框架脆性剪切破坏而造成结构严重损坏甚至倒塌的现象十分常见.本文通过分析有关试验资料,提出了钢筋混凝土框架柱塑性铰区剪切强度的计算公式及有关构造措施,以保证框架柱在一定延性条件下具有足够的抗剪强度,实现"强剪弱弯"的抗震设计原则,使抗震设计的框架结构具有足够的强度和良好的延性,以配合混凝土结构设计规范(GBJ10-89)的修订工作.本文的主要结论已被规范(GBJ10-2000)修订所采纳.     

基于能力谱法矩形空心桥墩极限状态研究

为了研究不同因素对矩形空心桥墩极限状态的影响,基于能力谱法,采用有限元软件Open Sees对10个试验墩柱的数值模型进行计算分析。主要研究了不同因素作用下能力谱法计算的墩柱极限位移及承载力变化规律。结果证明:增大配筋率能够提高墩柱性能极限,大轴压构件极限状态要小于小轴压比构件,增加了剪切破坏的可能性,削弱了性能增强效果;体积配筋率增加,使得破坏控制承载力延后;高墩柱增大了位移延性,但也提高了结构柔度,降低了承载力,研究成果具有一定的实践指导意义。     

汶川地震后绵竹、都江堰市房屋震害调查与分析

依据笔者在四川省绵竹市、都江堰市参加建设部组织的汶川地震震后房屋应急评估所取得的资料,对该次地震造成的建筑结构破坏进行了分析,从砖砌体结构、混凝土框架结构、构造问题以及设计与施工缺陷4个方面,论述了各种破坏的形态与成因,讨论了现行设计方法中存在的问题,提出了相应的改进建议。主要结论有：砌体结构的底层墙体强度不足、开间过大、形体复杂是导致其破坏的重要原因,在设计中,应适当提高砌体结构底层墙体的强度,控制房屋的开间,加强形体变化部位;砌体结构的窗下墙应作为连接墙肢的连梁考虑,可以将其设计成抗震设防的第一道防线;框架结构设计中,应考虑框架与填充墙的相互作用,考虑楼梯斜梁或斜板参与结构的整体受力;在现行规范要求的基础上,要适当增加框架柱的截面,节点附近的箍筋应采用焊接封闭箍或螺旋箍;应加强非结构构件的连接与锚固;对乡村房屋建设应予以监管,杜绝结构体系不明确的房屋出现。