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     

抗震结构柱端塑性铰形成机制有限元分析

针对汶川地震中钢筋混凝土结构出现大量的脆性破坏,以抗震结构设计中的塑性铰为研究目标,应用ANSYS程序对框架结构中最易出现塑性铰的节点部位进行了有限元分析。计算中采用了钢筋单元与混凝土单元变形不协调模型。结果显示,引起柱端脆性破坏的原因在于节点部位梁与柱的刚度失衡,柱端延性下降。目前抗震设计规范中的"强柱弱梁"、"强剪弱弯"原则和相关措施,不能保证塑性铰一定出现在梁端,结构抗震设计中常用的本构关系模型有待改进。     

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。     

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"。     

框架结构“强梁弱柱”问题研究

分析了"汶川地震"中钢筋混凝土框架结构的主要震害,着重研究了"强梁弱柱"这一破坏现象,并对比分析了现行抗震规范及其报批稿中关于"强柱弱梁"的设计条款,结合某框架结构教学楼,分析其在两本规范不同设计条款下的承载力,以及由此带来的经济性方面的影响。结果表明:填充墙等非结构构件的影响、楼板对框架梁承载力和刚度的增大作用以及柱轴压比偏小是结构破坏的主要原因。规范报批稿调整了柱端弯矩和剪力增大系数,较大地提高了柱的承载能力,其中抗弯承载力增加10.8%~33.1%,尤其顶层框架柱的承载力较现行规范增加33%之多,但柱的抗剪承载力提高较低,增加11.1%~19.3%。依据送审稿设计的结构,柱的钢筋用量增加64.1%,整个费用增加低于19.9%,基本在我国经济发展水平之内。     

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。     

钢管混凝土-钢板深梁结构抗震试验与承载力计算

提出了钢管混凝土-钢板深梁结构,进行了4个钢管混凝土-钢板深梁结构模型试件的低周反复荷载试验,4个试件均由等截面钢管混凝土柱和等尺寸钢板深梁构成,各试件高宽比相同。4个试件的区别在于设置的钢板深梁道数不同,以重点研究钢板深梁对结构抗震性能的影响。分析了各试件的承载力、刚度及退化过程、延性、滞回特性、耗能和损伤与破坏过程等。基于试验,提出了承载力计算模型,计算结果与实测结果符合较好。研究表明:钢管混凝土-钢板深梁结构,具有良好的抗震性能;钢板深梁与钢管混凝土设计参数应合理匹配,以实现强钢管混凝土柱和弱钢板深梁的延性屈服机制;钢管混凝土-钢板深梁结构可用于结构抗震设计。     

带现浇楼板RC框架结构抗震性能的多因素影响分析

采用pushover和非线性动力时程分析方法,分析了多因素下带楼板框架和不带楼板框架的抗震性能,并研究了在双向地震作用下框架结构的性能及需求。建立两组模型并完成对比分析,结果表明:考虑楼板的框架结构在不同轴压比及柱端弯矩增大系数作用下抗震性能会降低;在单向地震作用下可实现结构的"强柱弱梁"屈服机制;斜向地震作用下带楼板的框架结构,在轴压比取值高于0.56或者柱端弯矩增大系数高于2.0时,才能形成"强柱弱梁"屈服机制;斜向地震作用下用空间带楼板框架模型考虑结构体系的空间抗震机制更加合适。     

楼板及其配筋在RC框架结构实现抗震延性机制中的作用分析

总结采用梁有效翼缘来考虑楼板及配筋对“强柱弱梁”机制形成的影响的实验和数值仿真研究。基于SAP2000采用三种侧向加载模式对RC框架结构不带楼板、不带楼板考虑梁刚度放大、带楼板的三个模型进行pushover分析,对力与位移的关系曲线、塑性铰的出铰顺序以及顶点位移与层间位移等方面进行探讨。结果表明:三个模型的“强柱弱梁”现象不带楼板的纯框架结构最明显,考虑梁刚度放大的模型次之,带楼板结构最不明显,证明负弯矩承载力和刚度等反映“强柱弱梁”的参数及塑性铰的出现顺序与楼板、板内配筋存在明显的对应关系;楼板及配筋影响框架结构的整体变形性能和塑性耗能能力,是抗震延性机制实现的重要影响因素。在后续的结构设计中,建议考虑实际楼板和钢筋建模进行计算分析。     

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。     

现浇楼板对框架梁受力影响的研究

为了寻找现浇钢筋混凝土框架结构在实际震害中出现的与“强柱弱梁”设计准则相悖的“强梁弱柱”破坏现象产生的原因．并深入研究现浇楼板对框架梁实际承载力产生“超强”影响的方式,采用ABAQUS对钢筋混凝土带楼板框架和空框架结构进行了侧向力作用下的非线性有限元模拟。通过对比塑性铰出现顺序、钢筋的应力应变变化、框架梁端曲率变化和考察带楼板框架中楼板钢筋的应力变化情况。提出楼板有效翼缘宽度的取值应考虑横向梁刚度和侧向位移等因素的影响。     

基于能量方法设计的RC框架结构易损性分析

基于“强柱弱梁”的屈服机制,依据能量平衡方法设计了某6层RC框架结构,采用震级-震中距条带地震动记录选取方法,选取12条随机地震动,利用Perform-3D有限元分析软件对结构进行增量动力（IDA）分析,得到了结构的地震易损性曲线、破坏状态概率曲线以及结构破坏概率矩阵。分析结果表明:该方法设计的结构能够形成预设的“强柱弱梁”屈服机制,可以保证结构中梁充分参与耗能,同时结构具有较强的抗倒塌能力,可以满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的性能要求。     

RC梁与柱在不同地震作用下的变形限值分析

分析钢筋混凝土(RC)梁与柱基于不同地震作用下的变形限值,对钢筋混凝土梁与柱进行低周往复循环加载拟静力试验。然后对试验进行仿真模拟,将试验结果与仿真模拟结果进行对比分析,发现二者结果相近,从而验证仿真模拟的可行性。在构件的荷载-位移曲线上获取屈服点、峰值点和极限点,分别计算这3个状态点对应的侧向位移值与构件计算长度的比值,则可得出构件在小震、中震和大震时对应的位移角值。改变梁、柱构件的剪跨比、配筋形式以及柱构件的轴压比等,来得到更多构件的荷载-位移曲线,将所有结果进行统计分析,得到钢筋混凝土构件在不同地震作用下的位移角限值。     

Building damage from the Marmara, Turkey earthquake of August 17, 1999

The objective of this paper is to provide a brief overview of damage as observed immediately following the earthquake. Detailed studies of structural seismic performance, conducted in the time elapsed since August 1999, are not the subject of this paper, but rather the object of other papers presented in this Special Issue of the Journal. Damage to reinforced concrete, masonry, and steel structures, is described. The mode the failure presented include: foundation failures; soft stories; strong beams and weak columns; lack of column confinement and poor detailing practice; buckling and fractures of steel members; and non-structural damage. Some general lessons learned from this earthquake are also formulated.     

施工缝对框架结构抗震性能影响的数值分析

为研究施工缝对框架结构抗震性能的影响,利用提出的施工缝模型,基于OPENSEES平台建模进行静力非线性分析和非线性动力时程分析。通过对比整浇框架与带缝框架的顶点最大位移、层间位移角、塑性铰出现和分布规律等明确施工缝对框架结构的抗震性能的影响程度。结果表明,施工缝使框架结构的变形和层间位移角显著增大,并且使8、9度区框架结构的层间位移角分布发生改变;施工缝使柱端更易出现塑性铰,更易发生"强梁弱柱"的破坏模式;在高烈度区,施工缝的影响比较显著,如果忽略其影响,将会高估框架结构的抗震性能。     

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。     

Seismic damage to structures in the <Emphasis Type="Italic">M</Emphasis><Subscript>s</Subscript>6.5 Ludian earthquake

On 3 August 2014, the Ludian earthquake struck northwest Yunnan Province with a surface wave magnitude of 6.5. This moderate earthquake unexpectedly caused high fatalities and great economic loss. Four strong motion stations were located in the areas with intensity V, VI, VII and IX, near the epicentre. The characteristics of the ground motion are discussed herein, including 1) ground motion was strong at a period of less than 1.4 s, which covered the natural vibration period of a large number of structures; and 2) the release energy was concentrated geographically. Based on materials collected during emergency building inspections, the damage patterns of adobe, masonry, timber frame and reinforced concrete (RC) frame structures in areas with different intensities are summarised. Earthquake damage matrices of local buildings are also given for fragility evaluation and earthquake damage prediction. It is found that the collapse ratios of RC frame and confined masonry structures based on the new design code are significantly lower than non-seismic buildings. However, the RC frame structures still failed to achieve the ‘strong column, weak beam’ design target. Traditional timber frame structures with a light infill wall showed good aseismic performance.     

Analysis and seismic tests of composite shear walls with CFST columns and steel plate deep beams

A composite shear wall concept based on concrete filled steel tube （CFST） columns and steel plate （SP） deep beams is proposed and examined in this study. The new wall is composed of three different energy dissipation elements： CFST columns; SP deep beams; and reinforced concrete （RC） strips. The RC strips are intended to allow the core structural elements - the CFST columns and SP deep beams - to work as a single structure to consume energy. Six specimens of different configurations were tested under cyclic loading. The resulting data are analyzed herein. In addition, numerical simulations of the stress and damage processes for each specimen were carried out, and simulations were completed for a range of location and span-height ratio variations for the SP beams. The simulations show good agreement with the test results. The core structure exhibits a ductile yielding mechanism characteristic of strong column-weak beam structures, hysteretic curves are plump and the composite shear wall exhibits several seismic defense lines. The deformation of the shear wall specimens with encased CFST column and SP deep beam design appears to be closer to that of entire shear walls. Establishing optimal design parameters for the configuration of SP deep beams is pivotal to the best seismic behavior of the wall. The new composite shear wall is therefore suitable for use in the seismic design of building structures.     

钢管混凝土框架-核心筒混合结构连续倒塌非线性动力分析

为研究钢管混凝土框架-核心筒混合结构在局部构件失效后的连续倒塌机制,基于ABAQUS纤维梁单元和分层壳单元,采用课题组开发的材料本构子程序iFiberLUT,进行了一栋33层钢管混凝土框架-核心筒混合结构在1、17、33层柱和核心筒墙体失效工况下的连续倒塌非线性动力分析,研究了典型柱和剪力墙失效后剩余结构的抗连续倒塌机制。结果表明:33层构件失效时上部节点位移反应最大,17层次之,1层最小,相比核心筒墙体失效,柱失效时上部节点竖向位移更大,震荡更明显;各工况作用对核心筒影响均较小,且核心筒的存在增强了楼板的薄膜效应,提高了结构抗倒塌能力,失效位置距核心筒越近提高越显著;典型构件失效后结构的传力路径遵循"就近原则"向周围构件传递,楼板和核心筒有力的提高了结构的冗余传递路径和整体性。     

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.