地震作用下钢筋混凝土柱变形与损伤研究

为量化地震作用下钢筋混凝土（RC）柱损伤情况和变形,并将不同地震破坏状态下RC柱损伤和变形进行分析。从太平洋地震工程研究中心（PEER）数据库中收集91组RC柱抗震试验数据,选取4种广泛应用的构件损伤模型进行计算,将损伤发展曲线与层间位移角发展曲线进行对比分析。对RC柱损伤指标限值进行归一化处理,统计分析后得到不同破坏等级下的位移角限值,并给出了RC柱各破坏等级下的位移角限值与损伤指标限值对应关系。研究结果表明,牛荻涛损伤模型可更准确地评价地震作用下结构构件损伤程度,且与层间位移角发展曲线均呈近似线性增长趋势;不同破坏等级下的位移角限值验算保证率均＞80%,表明本文提出的位移角限值具有一定合理性。     

罕遇地震下高层RC框架结构双地震动强度参数易损性分析

为研究高层RC框架结构罕遇地震下的易损性,设计了一个7度区典型11层RC框架结构。采用IDA方法进行时程分析,以地震动峰值地面加速度和结构第一自振周期对应的谱加速度为地震动强度指标,最大层间位移角为结构损伤指标,分别得到了单一地震动强度和双地震动强度参数下的IDA曲线和失效概率,绘制了双地震动强度参数下易损性曲面,并对单一地震动强度和双地震动强度参数下的易损性分析结果进行了对比。结果表明:罕遇地震下,采用双地震动强度参数结构失效概率明显低于采用单一地震动强度参数结构失效概率;对高层RC框架结构,采用双地震动强度参数进行易损性分析反映的地震动信息更全面;采用双地震动强度参数得到的结构失效概率公式更能真实量化不同强度地震作用下结构的失效概率。     

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。     

电涡流阻尼墙减震结构的地震易损性分析

齿轮齿条式电涡流阻尼墙(eddy current damping-rack and gear wall, ECD-RGW)是一种具有明显非线性特征的消能减震装置,为探究其对钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)框架结构抗震性能的影响。基于OpenSees软件,建立了一栋5层RC框架结构的有限元模型,并实现了电涡流阻尼墙非线性力学模型的二次开发,并验证了其准确无误,进而对该模型进行非线性时程分析,使用数值方法评估了ECD-RGW减震结构的概率抗震性能。选取ATC-63项目中推荐的22条典型远场地震波,以最大层间位移角作为结构损伤指标,采用增量动力分析方法分别对安装和未安装ECD-RGW的RC框架结构进行了地震易损性分析。研究结果表明：相较于无控结构,安装了ECD-RGW的RC框架结构达到各级破坏状态的超越概率明显降低;ECD-RGW在各级地震作用下均具有优良的减震效果;且提高ECD-RGW的传动比可以进一步提高RC框架结构的抗震性能,降低结构损伤概率。     

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。     

对角预应力拉索重组竹框架地震易损性分析

传统的竹（木）框架结构因其抗侧力性能差,导致地震灾害下损失较大。在竹（木）框架中增设对角预应力拉索,可以有效地提高其抗侧刚度。为研究重组竹框架结构中对角预应力拉索对结构抗震失效概率,采用增量动力分析（IDA）对其易损性进行分析。通过定义3个性能水平,以地震峰值加速度作为地震强度指标,结构的层间位移角作为结构响应参数,分析得到无对角预应力拉索的重组竹框架的地震易损性曲线。最后分析对角预应力拉索对重组竹框架,得到2种预应力水平下的地震易损性曲线,并与无对角预应力拉索的重组竹框架的地震易损性曲线进行了对比,研究对角预应力拉索对重组竹框架地震易损性的影响。     

基于增量动力地震易损性分析的高层结构抗震加固研究

由于承重结构构件分布不均匀,导致高层建筑框架承重构件间的距离不相等。在地震时,这种不规则分布可能引起加速度共振效应,从而导致建筑失稳。为此,以地震动强度、地震动速度峰值、最大层间位移角为参数指标,分析高层建筑的极限状态,提出基于增量动力地震易损性分析的高层结构抗震加固研究。以某实际工程为试验对象,运用ABAQUS软件构造高层建筑框架结构三维模型,选取多条地震波以及符合场地条件的地震动记录进行验证,绘制地震易损性曲线。结果表明:在高层建筑框架结构中安装阻尼器,可增强结构中各构件的承载力,改善高层建筑抗震性能;增加钢板厚度可提高结构抗震水平,降低极限状态下框架结构IO、LS与CP的超越概率;提高混凝土强度,可改善框架结构抗倒塌性能。高层结构完成抗震加固后,抗震能力由0.91提升至1.01。由此证明,以增量动力分析得到的结构易损性为基础,对建筑易损性较大的地方进行加固、完善,能够改善高层建筑框架结构地震易损性,减少地震灾害损失。     

主余震作用下高强钢筋混凝土框架的易损性分析

为研究主余震作用下配置高强钢筋的RC框架结构的抗震性能,根据相同设计指标和"等强代换"的原则,设计了三榀六层四跨的钢筋混凝土框架,纵向受力钢筋的强度等级分别为HRB400、HRB500和HRB600。通过OpenSees平台进行有限元建模,将最大层间位移角作为结构损伤指标,反应地震作用的结构响应。选取15条地震加速度时程,通过重复法构造人工主余震序列并进行IDA分析,得到结构在不同强度的主余震序列作用下的地震易损性曲线。结果表明:主震PGA越大,余震的最大层间位移角越大,结构达到各极限状态的概率越高。对比配置不同钢筋强度的三榀框架的计算结果,可知"等强代换"原则下,相同主余震序列作用时,钢筋强度的提高对结构抗倒塌性能有不利影响,但影响有限。     

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。     

基于增量动力法的剪力墙结构地震易损性分析

地震易损性分析是评估结构地震灾害损失的关键。应用PKPM软件设计了不同设防烈度的6个16层剪力墙结构。应用增量动力法求得各结构在不同罕遇烈度地震作用下的最大层间位移角,回归分析给出了最大层间位移角与地震作用加速度峰值的关系式。以最大层间位移角为整体性能指标,进行结构地震易损性分析,给出了结构地震失效概率关于地震作用加速度峰值的计算公式。计算得到了不同设防烈度剪力墙结构在罕遇地震作用下的震害矩阵,为评估框架-剪力墙结构的地震灾害损失,提供了基础数据。     

高强混凝土剪力墙地震损伤模型分析

在分析比较现有钢筋混凝土结构的地震损伤模型的基础上,根据高强混凝土剪力墙的滞回曲线特性及刚度退化规律,采用能量耗散系数和最大变位处的卸载刚度的退化为破坏参数,提出了适用于高强混凝土剪力墙构件的双参数地震损伤模型。依据已有的高强混凝土剪力墙构件试验研究结果,对损伤模型进行非线性回归分析,确定了相应的地震损伤模型参数,提出了高强混凝土剪力墙各性能水平的损伤指数以及相应于三水准抗震设防的损伤指数允许值。分析结果表明,按本文所提出的损伤模型计算得到的剪力墙构件最终破坏时对应的损伤指数,其平均值在合理范围内,标准差较小;损伤指数计算值对应的损伤程度基本符合试验结果,计算结果离散程度较低。     

高强钢筋高延性纤维增强混凝土框架结构的屈服机制和抗震性能

为了对混凝土框架结构的地震破坏机制和抗震性能进行控制,在框架柱中配置高强钢筋,并将纤维增强混凝土(FRC)用于框架结构的预期损伤部位。结构柱中的高强钢筋用来减小结构的残余变形,FRC材料用来增加结构的耗能能力和损伤容限。设计了三个框架,采用动力弹塑性时程分析方法进行分析。研究结果表明,采用高强钢筋提高了结构的整体承载能力,在层间侧移角达到3%之前避免了柱铰的出现(包括底层柱底),并且减小了结构的残余变形;预期损伤部位采用FRC材料能够提高结构的塑性耗能。     

改进的钢筋混凝土结构双参数地震破坏模型

本文在分析现有结构地震破坏模型的基础下，提出了一种改进掇参数地震破坏模型。文中采用三线退化型恢复力模型对实际钢筋混凝土结构在实际地震作用下的变形与累积耗能，极限变形与极限滞回耗能进行了分析，通过模型计算的破损结果与实际在结果的对比，研究了模型参数，从而建立了钢筋混凝土结构的双参数地震破坏模型。     

Evaluation of plastic energy dissipation capacity of steel beams suffering ductile fracture under various loading histories

The energy dissipation capacity of a structure is a very important index that indicates the structural performance in energy‐based seismic design. This index depends greatly on the structural components that form the whole system. Owing to the wide use of the strong‐column weak‐beam strength hierarchy where steel beams dissipate the majority of earthquake input energy to the structures, it is necessary to evaluate the energy dissipation capacity of the beams. Under cyclic loadings such as seismic effects, the damage of the beams accumulates. Therefore, loading history is known to be the most pivotal factor influencing the deformation capacity and energy dissipation capacity of the beams. Seismic loadings with significantly different characteristics are applied to structural beams during different types of earthquakes and there is no unique appropriate loading protocol that can represent all types of seismic loadings. This paper focuses on the effects of various loading histories on the deformation capacity and energy dissipation capacity of the beams. Cyclic loading tests of steel beams were performed. In addition, some experimental results from published tests were also collected to form a database. This database was used to evaluate the energy dissipation capacity of steel beams suffering from ductile fracture under various loading histories. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢筋混凝土柱地震损伤模型比较研究

损伤指数是判断结构或构件经受地震作用后是否破坏、评价结构或构件破坏程度的重要指标,是对震后受损结构进行安全评估和修复加固的重要理论依据。基于40组钢筋混凝土柱的试验结果,对国内外7种较具代表性的损伤模型进行了对比分析。研究结果表明:对于同一试件,不同损伤模型计算得到的损伤指标差异较大,损伤曲线发展趋势亦不同;基于能量的损伤模型多表现出前期增长速度快和后期增长速度慢的上凸趋势,而基于变形和能量组合形式的双参数损伤模型多表现出前期增长速度慢和后期增长速度快的上凹趋势;Park-Ang模型及其改进形式能够较好地反映构件层次的损伤发展过程,但未知参数较多,计算过程较复杂,不利于整体结构层次的震害评估;从能量耗散原理角度提出的损伤模型更符合整体结构抗震的本质,未知参数少且计算过程简单,但存在边界条件的界定不明确的缺陷,因此还需要做更深入的研究。     

扩孔螺栓连接型消能梁段的力学模型及参数研究

当前国家对建筑结构的抗震性能和震后功能恢复能力提出了更高要求。基于短剪切型消能梁段的受剪屈服特性和剪切扩孔型螺栓连接的受剪滑移性能,提出一种新型扩孔螺栓连接型消能梁段,可有效增大消能梁段的延性和耗能能力并同时减小消能梁段的损伤,使带扩孔螺栓连接型消能梁段的新型Y形偏心支撑结构更好地适应当前要求。采用有限元方法详细分析扩孔螺栓连接型消能梁段的滞回性能、破坏模式和耗能机理,由此得到其骨架曲线和力学模型,并阐述其力学模型的影响参数,为相应偏心支撑结构的设计和分析提供理论依据。     

既有钢筋混凝土框架结构的多指标云模型地震损伤评估

目前的既有钢混结构地震损伤研究没有同时考虑不同抗震设计规范差异和耐久性两个因素对结构抗震性能的影响,且损伤指标较简单,在动力损伤分析中也存在局限。基于云模型的特点,提出了包括弹塑性耗能差率、刚度损伤指数、层间位移角和顶点位移角的多元结构损伤状态综合评估方法,能够同时考虑结构各损伤指数的随机性和模糊性。考虑不同版本抗震设计规范造成的结构性能差异和耐久性下降对结构性能的影响,设计3个典型五层钢混框架结构,进行增量动力分析,验证损伤评估方法的准确性。结果表明：随着抗震规范版本的更新,结构的损伤程度有适当减轻;同一结构的损伤程度因混凝土碳化作用先减轻后加重;采用弹塑性耗能差率表征既有结构的地震损伤效果优于刚度损伤指数;基于多指标云模型损伤评估方法获得的云模型综合隶属度和综合损伤值能够更加细化和精确地描述结构损伤状态。     

近断层地震动下设置BRB的双向减隔震桥梁地震反应

在近断层地震动下桥梁结构将发生较大反应,减隔震设计是减轻地震损伤的重要手段。提出了在桥梁双柱墩横桥向设置防屈曲支撑(BRB),在纵桥向设置铅芯橡胶支座(LRB)的双向减隔震体系。利用Midas Civil软件建立3种不同减隔震方式的桥梁结构模型:LRB仅单向,LRB双向与LRB联合BRB,运用非线性时程分析方法计算了桥墩反应(墩顶侧移角、残余位移角和曲率延性)、LRB支座变形和BRB的耗能特性等。结果表明:在近断层地震动输入下联合设置LRB和BRB的双向减隔震桥梁减震效果明显,相比其它2种方式,能有效降低墩柱的塑性变形及起到保护桥墩的作用。在横桥向,桥墩最大侧移角、残余位移角和最大曲率延性系数都显著降低。