极罕遇地震作用下RC框架结构抗震性能研究

第五代《中国地震参数区划图》(GB18306-2015)中在原有"常遇、设防和罕遇地震动"之外,引入了"极罕遇地震动"。但目前关于"极罕遇地震动"下RC框架结构抗震性能研究较少。本文研究了RC框架结构在四级地震作用下的抗震性能,并对比了结构在非脉冲地震动和脉冲型地震动下结构反应及其不确定性差异。结果表明:依据现有规范设计的RC框架结构在极罕遇地震下:远场非脉冲地震动引起的最大层间位移角均小于规范规定的防倒塌限值2%,但在近场脉冲地震动引起的最大层间位移角达到3.5%,大于规范规定的防倒塌限值2%,脉冲型地震动下结构反应的不确定性大于非脉冲型地震动下反应的不确定性。     

近场地震下钢框架结构地震易损性分析

为阐明近场地震速度脉冲效应对周期较长的钢框架抗震性能的影响规律,采用增量动力分析（IDA）方法,对符合我国现行设计规范的三个不同设防水平的钢框架结构进行了地震易损性分析,并对比分析了其在近、远场地震下的地震易损性差异。结果表明：近场地震作用的速度脉冲效应将放大钢框架结构的动力响应,并增大其概率地震需求模型的不确定性;相同地震强度下,近场地震作用的速度脉冲效应将增大钢框架结构的损伤破坏概率,且周期较长的低设防水平钢框架结构在近场地震作用下更易损伤破坏;鉴于近场地震对钢框架结构地震易损性的显著影响,建议评估钢框架结构的震害风险时,应针对近场和远场地震作用分别建立易损性模型。     

近场地震下钢框架结构地震易损性分析

为阐明近场地震速度脉冲效应对周期较长的钢框架抗震性能的影响规律,采用增量动力分析（IDA）方法,对符合我国现行设计规范的三个不同设防水平的钢框架结构进行了地震易损性分析,并对比分析了其在近、远场地震下的地震易损性差异。结果表明：近场地震作用的速度脉冲效应将放大钢框架结构的动力响应,并增大其概率地震需求模型的不确定性;相同地震强度下,近场地震作用的速度脉冲效应将增大钢框架结构的损伤破坏概率,且周期较长的低设防水平钢框架结构在近场地震作用下更易损伤破坏;鉴于近场地震对钢框架结构地震易损性的显著影响,建议评估钢框架结构的震害风险时,应针对近场和远场地震作用分别建立易损性模型。     

考虑两次地震作用的RC框架结构地震反应分析研究

大量地震表明,地震过程中仅发生单次地震的情况较少,即孤立型地震发生的概率较低,一般为11%。强震的发生通常伴随多次余震,且大部分余震与主震时间间隔较短,受损结构在未进行加固的情况下再次遭受地震作用,致使结构发生更为严重的破坏,甚至倒塌。目前国内外抗震规范的设计方法仅考虑了单次地震作用,即只考虑主震影响。因此,探讨合适的途径考虑多次地震作用对结构的影响具有重要理论意义和工程价值。本文收集了国内外广泛用于结构地震反应分析的地震动记录,以典型RC框架结构为例,研究了两次地震作用下结构的抗震分析方法;探讨了两次地震作用时设计PGA调整系数的确定方法;当设防烈度、场地条件以及输入地震动特征不同时,分析了单次与两次地震作用下结构损伤状态的差别,确定了设计PGA的调整系数。主要内容包括以下几部分:(1)选取了损伤指标及强度折减系数模型。从加速度时程、反应谱、傅立叶谱及对结构的损伤4个方面分析了两次地震与单次地震的联系和区别;通过分析不同损伤指标的适用情况,确定了损伤指标;通过对3种强度折减系数模型的比较,选取了Vidic模型。(2)提出了考虑两次地震作用的抗震分析方法。以典型结构为例,比较了目前用于单次地震作用结构抗震分析的常用方法。在分析各类方法的优点和不足的基础上,给出了结合动力时程分析、静力往复加载分析与Pushover分析的考虑两次地震作用的结构抗震分析方法;并以3层典型RC框架为例,验证了方法的可行性。(3)基于损伤相等的原理,提出了考虑两次地震作用的设计加速度峰值的调整系数的确定方法。通过选取、构造序列型地震动,对某3层典型RC框架结构进行了600次单一地震和3 600次连续两次地震的动力弹塑性时程分析,统计了结构整体损伤指数特征,定义了整体损伤指数(DI)的放大系数和PGA的等效调整系数两个参数,给出了考虑两次地震作用时的结构设计加速度峰值的调整系数建议值。(4)建立了考虑两次地震作用时DI的放大系数和PGA的等效调整系数的经验公式。对不同典型RC框架结构进行了动力弹塑性时程分析,并统计了结构整体损伤指数特征,得到了放大系数、等效调整系数与结构自振周期之间成正比的结论。(5)研究了设防烈度、场地条件和输入地震动对放大系数和等效调整系数的影响。通过研究4层RC框架结构在设防烈度、场地条件和输入地震动等因素影响下的动力时程分析,根据整体损伤指数统计分析,得到放大系数和等效调整系数与设防烈度成正比,与输入地震动场地VS30均值成反比的结论,给出了输入地震动对放大系数和等效调整系数的影响的建议值。     

RC框架结构超强系数与地震经济损失风险分析

基于现行的中国抗震设计规范,设计了6个不同参数的钢筋混凝土框架结构模型,利用静力弹塑性（Pushover）分析方法求得各个框架结构的超强系数;同时,利用基于性能的抗震设计（PBSD）的方法,通过增量动力分析（IDA）、易损性分析和地震损失风险分析等,定量的求出各个框架结构的经济损失风险,并比较了不同框架结构超强系数和经济损失风险的变化情况。结果表明:在层高相同的情况下,当抗震设防烈度逐渐增大时,超强系数减小,经济损失风险逐渐增大;在抗震设防烈度相同的情况下,当层高增大时,超强系数减小,经济损失风险逐渐增大。     

不同底部层高的RC框架结构地震易损性分析

为研究不同底部层高的钢筋混凝土框架结构的易损性,应用SAP2000软件,采用动力增量分析法分别对设防烈度为7度和8度区6个不同底部层高的框架结构在地震作用下进行了非线性时程分析,得到了地震易损性曲线和结构在极限状态下的地震动强度指标,经回归拟合得到了不同设防烈度区的结构的失效概率公式和结构倒塌储备系数(CMR)。研究表明:结构在弹性阶段的耗能能力较差,在弹塑性阶段表现出较好的延性耗能能力。同一抗震设防烈度的RC框架结构倒塌储备系数CMR随着底部层高的提高而线性降低,底部层高较高框架结构的抗地震倒塌能力与底层层高负相关,基于IDA方法得到了不同底部层高RC框架结构的失效概率计算公式和抗倒塌储备系数线性拟合公式,可供工程设计参考。     

近断层地震作用下多层RC框架火灾后抗震性能分析

为研究近断层地震动特性对火灾后多层RC框架抗震性能的影响,以火灾后某多层RC框架结构为研究对象,结合火灾后现场材料的检测与鉴定报告,开展了结构火灾前后在近场有脉冲和无脉冲地震作用下的结构动力弹塑性时程分析,对比分析了近场有脉冲和无脉冲地震动特性对火灾前后RC框架结构整体的抗震性能的影响。研究结果表明:火灾后,整体结构地震响应明显大于火灾前,火灾后结构底层层间位移角在脉冲型地震和无脉冲地震作用下分别达到火灾前的1.44和1.54倍;近场脉冲型地震作用下结构响应明显大于无脉冲地震,罕遇地震作用下,近场脉冲型地震工况下的底部层间位移角相较于无脉冲地震工况增加了96.0%,火灾后更是增加了118.0%。研究成果可为多层RC框架火灾后安全性评估和加固设计提供参考。     

新疆塔什库尔干5.5级地震建筑结构震害

2017年5月11日新疆塔什库尔干5.5级地震给震区建筑结构造成了不同程度破坏。选择震区钢筋混凝土（RC）框架结构、砖混结构以及土石木结构等3类典型建筑结构,介绍了各类建筑结构地震破坏特点,分析了震害特征与破坏机理。结果表明:RC框架结构在地震中表现出了优异的抗震性能,即使在震中区,破坏也仅仅表现为非结构性破坏,如填充墙开裂和吊顶脱落等;砖混结构绝大多数抗震性能优良,仅震中区的少数建筑物发生了承重墙墙体开裂情况;土石木结构房屋抗震性能最差,地震破坏最为严重,是导致该次地震人员伤亡主要原因。建议地震高烈度设防区房屋建筑应采用抗震性能较好的RC框架结构和砖混结构,而抗震性能差的土石木建筑房屋应尽量避免继续建设和使用。结果可供类似地区房屋建设和建筑结构抗震设计等工作参考。     

规则钢筋混凝土异形柱框架结构的抗震性能研究

本文按现行规范及技术规程设计了设防烈度为8度的一个规则的钢筋混凝土异形柱框架,并进行了单向水平地震作用下的空间三维非线性地震反应分析,考查了异形柱框架结构在设防和罕遇地震水准下的整体抗震性能,对结构能否达到抗震设防目标进行了初步评价。结果表明,8度区按规范设计的结构在设防烈度及罕遇烈度地震作用下基本能够达到预期的抗震设防目标。     

中美欧水平地震作用的比较

分析了中美欧抗震设计中的水平地震作用问题。首先,比较了中美欧抗震规范中建筑物重要性、强度折减系数的差异,介绍了中国规范的底部剪力法、美国规范的等效侧向荷载法以及欧洲规范的侧向荷载法。然后对一多层框架结构,分别作为办公楼和医院,计算了不同设防烈度下、不同延性等级下的水平地震作用,并进行了比较分析,获得了3种规范关于水平地震作用的一些差异。     

设计因素对RC框架结构地震易损性的影响

考虑到结构抵抗地震作用的机制为结构和地震动的不确定性与非线性相互耦合的过程,采用增量动力分析(IDA)考虑地震动的不确定性,选取16条地震动记录,基于OpenSEES的有限元建模理论对13榀平面RC框架结构进行基于IDA方法的地震易损性分析,分别讨论轴压比、高宽比、混凝土强度以及纵筋强度等结构参数对RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:柱轴压比对结构抗震性能的影响显著,而高宽比对结构抗震性能的影响不明显;在保证柱轴压比相近的前提下,提高柱混凝土强度能够提升结构的抗震性能;相同地震作用下梁柱配置纵筋强度较高的框架结构达到立即使用(IO)状态和生命安全(LS)状态的概率较配置纵筋强度较低的大,配置纵筋强度较高的框架结构较配置纵筋强度较低的表现出更好的抗倒塌能力。     

考虑设计地震分组的强度折减系数的研究

强度折减系数既是基于强度的抗震设计中确定设计地震力的关键因素，又是基于性态的抗震设计理论中确定非弹性反应谱的主要依据. 本文结合我国抗震设计反应谱的形式和特点，应用823条国内外水平向地震动记录（充分利用了我国取得的强震记录），给出了一种考虑设计地震分组和场地类别的强度折减系数模型，研究了结构周期、延性、场地类别、设计地震分组、震级、震中距等因素对强度折减系数的影响. 结果表明:场地条件对强度折减系数的影响是不可忽略的，特别是对延性较大的短周期结构更应注意场地条件的影响；设计地震分组是影响强度折减系数的一个重要因素，在应用我国规范设计反应谱构造非弹性反应谱所用的强度折减系数必须考虑设计分组的影响；震级对强度折减系数的影响较小；如不考虑近场大脉冲地震动记录的影响，震中距对强度折减系数的影响是可以忽略的.      

2021年云南漾濞6.4级地震近场强震动特性分析

选用2021年云南漾濞6.4级地震强震动数据,经校正预处理后,对典型记录的幅值、反应谱和持时进行分析,得到此次地震的地震动特性。结果表明:（1）与我省烈度速报系统自动产出的仪器烈度分布以及实际震害情况相比,近场测点强震动数据所计算出的仪器烈度值与快速仪器烈度分布、现场实际情况基本吻合。（2）三个分量的PGA等值线形态分布大致相似,长轴均沿西北至东南向展开,逐渐衰减,且对于PGA,在近场震中距100 km以内,主震记录高于选用的衰减关系,一定程度上体现了此地震近场高频成分的卓越特性。（3）在震中附近100 km内,结合四个强震动测点距离震中的地理位置可知:随着震中距的增大,地震反应谱峰值周期也在逐渐增大,地震动的高频成分随着距离逐渐衰减。同时,破坏最为严重的区域主要集中在东南方向,其次为西南方向,东北方向基本不受震害影响。（4）此次地震呈中长持时特点,三个分向的持时随着震中距增大而逐渐增加,在震中距超过300 km处逐渐衰减,其中北南方向的持时衰减最快,竖直方向的持时衰减最慢。（5）研究主震地震动持时空间分布,持时受场地条件影响不大,地震破裂主要是沿西北到东南向的右旋走滑,长持时分布在破裂传播方向的东北侧,破裂传播的西北侧持时较短。同时,地震动持时受上盘效应的影响较弱, 在断层上盘和下盘的持时长度没有明显差别, 持时长度都接近拟合得到的平均值。在断层附近持时很小,平均在10s左右。     

学校多层RC框架结构地震倒塌机理研究

多层钢筋混凝土(RC)框架结构广泛用于学校、医院和办公建筑中,近年发生的多次破坏性地震中,大量RC框架结构发生粉碎性倒塌,造成大量人员伤亡。而位于同一场地的一般多层砖混结构反而不倒塌。这显示出工程界对RC框架倒塌机理的认识尚不深刻,抗震设计的结果与期望值还有很大差距。本文选取汶川地震中位于极震区的两栋典型结构作为研究对象,代表一般学校多层RC框架的漩口中学教学楼发生倒塌,而北川盐务局职工宿舍楼结构则由于底层框架柱增设适量翼墙而未倒。本文通过地震模拟振动台试验对两者的抗震性能进行了深入研究,剖析前者的倒塌机理,探讨翼墙-框架结构体系的地震响应特点。主要结果有:(1)依据国内外多次地震震害资料,总结了多层RC框架结构震害特点,重点对汶川地震极震区的两个具体结构的构造特点和实际震害进行描述。(2)通过振动台试验,研究了漩口中学结构模型地震响应规律、宏观破坏模式。依据各关键测点的实测数据和倒塌过程,分析了触发倒塌的主要原因。指出局部设置的半高填充墙显著增大了刚度,降低了延性,是倒塌的关键因素。(3)因框架柱增设适量翼墙,北川盐务局职工宿舍历经强震而不倒。对翼墙框架结构体系的概念和抗震机制进行介绍,基于翼墙框架结构和纯框架结构的pushover分析,对比研究了其抗震性能、损伤和屈服模式。(4)为研究翼墙加固RC框架体系在强烈地震作用下的抗震性能和加固效果,完成了一个缩尺比为1:4的翼墙-框架结构模型振动台试验,定量分析了结构在设防小震、中震、大震以及更高强度地震动作用下的受力特征、动力反应和损伤机制。并对试验模型与未加翼墙的纯框架数值模型进行了动力有限元分析,对比得到二者抗震性能的差异。通过以上研究证明,通过翼墙加固多层RC框架结构可以大幅提高多层RC框架的抗震性能,且经济实用、布置方便,可作为抗倒塌措施应用推广。     

基于人工神经网络的RC框架结构地震响应预测方法

为了实现钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)框架结构地震响应的快速预测，提出了一种基于人工神经网络的RC框架结构地震响应预测方法，设计低层、多层和小高层共3个典型RC框架结构作为研究对象，以四川雅安地区为目标场地，基于条件均值谱选取地震动记录作为输入并进行弹塑性时程分析，所得样本数据用于训练人工神经网络。以地震动强度信息和结构信息为输入预测结构响应，同时对模型进行参数敏感性分析。结果表明：建立的人工神经网络模型具有较好的泛化性能，平均谱加速度具有最高的平均影响值，提出的方法为快速预测RC框架结构地震响应提供了方法借鉴。     

近场地震下竖向刚度不同的混合结构动力性能分析

近场地震的动力特性明显不同于远场地震,因此有必要对结构在近场地震作用下的动力性能展开研究。以上部钢结构-下部混凝土结构这类竖向刚度不同的加层混合结构为研究对象,对其在近场脉冲型地震、近场无脉冲型地震及远场地震作用下的动力响应进行研究。结果表明:在多遇、设防、罕遇地震作用下,近场脉冲型地震会使结构的层间位移角、层间剪力、加速度等动力响应均放大并出现超限的情况,而且都比罕遇地震作用下结构的响应增大更明显;在进行近场区加层混合框架结构的设计和建设时,近场脉冲效应会使结构存在不满足规范的情况,有必要对竖向刚度不同的加层混合结构在近场区的适用性进行深入研究。     

不同设防标准RC框架结构基于易损性分析的抗震性能评估

借助非线性动力时程分析,对严格按照规范Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度设计的5个三跨6层钢筋混凝土框架结构开展易损性分析,建立了基于峰值加速度的易损性曲线。从易损性的角度对不同设防标准RC框架结构的抗震性能做了定量评价,并探讨了设防标准对RC框架结构易损性的影响。分析表明,对应于设防小震、中震及大震水平的峰值加速度,结构“小震不坏”、“中震可修”和“大震不倒”的失效概率均在18%以内,可认为结构满足三水准的性态控制目标。随着结构设防标准的提高,其易损性随之降低,相同峰值加速度对应的各个破坏状态的超越概率均有所降低。此外,将框架结构的设防烈度提高1度,其“大震不倒”的失效概率会明显减小。而将框架结构的设防烈度降低1度,其“大震不倒”的失效概率会显著增加,最高可达4倍。     

近场地震作用下考虑二阶效应的混凝土框架抗震分析

利用钢筋混凝土柱的试验结果,验证OpenSees程序用于钢筋混凝土结构非线性分析的可行性。以此为基础,对钢筋混凝土框架结构在远场地震、近场非脉冲地震与近场脉冲地震作用的性能进行非线性时程分析,研究框架结构在三类地震作用下的反应以及二阶效应对结构反应的影响。针对近场脉冲地震对结构进行增量动力分析(IDA)和易损性分析,分别得到结构的IDA曲线、易损性曲线和近场脉冲地震作用下二阶效应对结构抗震性能的影响。分析结果表明,在三类地震作用下,近场脉冲地震导致的二阶效应对结构抗震性能的影响最为显著,结构抗震设计中宜考虑二阶效应的影响。     

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。     

乐昌峡大坝地震响应分析

乐昌峡大坝位于广东省韶关市乐昌市境内,建造时按照Ⅴ度区进行抗震设计,随着2016年第五代地震动参数区划图的实施,该区设防烈度提高为Ⅵ度,大坝在Ⅵ度地震影响下是否安全需要进行分析.利用图纸资料建立了大坝的三维有限元模型,计算分析了多水位下特征坝段的频率和大坝的地震响应,结果表明:溢流坝段的频率小于两岸挡水坝段.地震作用下,大坝位移最大值出现在坝顶处,应力最大处出现在闸墩、牛腿及坝踵处,但均处于安全范围,证明大坝抗震性能良好;库水水位会显著影响大坝的频率及地震响应,在抗震设计时,应引起注意.