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。     

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。     

基于“投资—效益”准则的结构全寿命总费用模型

作为基于结构性能抗震设计的重要原则,“投资—效益”准则反映了抗震设计思想由只注重结构安全到综合考虑技术、经济、社会等诸多因素影响的转变,而结构性能水平和抗震性能目标是实现这一准则的前提和基础.采用五级结构性能水平细化现行规范给出的三水准设防,以层间位移角为定量指标,建立了结构性能水平与层间位移角限值之间一一对应的关系.提出抗震性能目标优化决策,根据最优设防烈度并引入地震危险性分析,建立了基于“投资—效益”准则的结构全寿命总费用模型.该模型规避了直接求解体系可靠度的复杂过程,将问题转化为求解结构的失效概率.其优点在于既能考虑结构的初始造价,又充分根据结构性能失效的特点考虑结构在各级性能水平下的损失期望,全面注重了结构性能、安全及经济等条件,体现了基于性能的抗震设计理念.     

基于可靠度的结构损伤性能设计

本文基于现行抗震规范设计方法，运用荷载抗力分项系数法对结构损伤可靠度进行了研究。选择了恰当的地震动随机过程模型。合理地确定了模型参数。利用现有的钢筋混凝土构件的损伤模型。应用响应面法拟合目标函数，提出了钢筋混弹簧土结构损伤可靠度的分项系数标定方法，根据试验经验公式并结合截面应力应变分析。确定了钢筋混凝土截面恢复力模型参数，应用MonteCarlo方法对结构的可靠度进行计算。编制了钢筋混凝土结构的损伤可靠度计算程序，采用重要抽样法计算结构的可靠度，提高了计算效率，计算了现行抗震规范的结构损伤可靠度，确定了分项系数和目标失效概率的关系。为现行规范向性能设计规范的过度提供了可靠度基础。     

一种直接基于位移的抗震设计方法

与传统基于力的抗震设计方法相比,基于位移的抗震设计方法更适合实现基于性能抗震设计。本文在若干文献的基础上,提出了一种直接基于位移的抗震设计方法。该方法建立在结构屈服位移可由几何尺寸确定的基础上,根据不同水平地震作用下的目标设计位移,计算相应的延性系数,采用一定的Rμ-μ-Tn关系建立相应的非线性反应谱,以二折线模型模拟结构的性能曲线,然后根据结构不同的目标位移以及对应的非线性反应谱确定相应的有效周期,从中选择最小值作为设计结构的有效周期,根据有效周期计算结构的刚度,然后乘以屈服位移得到结构的屈服强度。根据结构屈服强度以及结构的超强系数,得到结构的设计基底剪力。该方法避免了设计中采用迭代计算,且一次设计就可以完成多水平设防的目的。     

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。     

结构抗震可靠度二种简化解析表达式的一致性证明

结构抗震可靠度分析的解析求解一直是结构可靠度领域和地震工程领域研究者们的追求目标.解析表达式不仅有利于简化结构抗震可靠度分析这个极端困难的工作,而且也有利于进行基于可靠度的结构概率抗震性能设计与评定.从全概率定理的两种不同表达式出发,介绍了国际上流行的两种结构抗震可靠度解析表达式,过去一直认为这是两种理论基础不同的表达式.本文通过对地震易损性函数关系的解析推导,揭示了若干重要关系,证明了两种表达式的一致性.     

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.     

RC框架结构直接基于位移的抗震优化设计方法

探讨了静力弹塑性分析验证过程中遇到的几种情况及其产生原因,指出建筑结构设计方案在基于位移的抗震设计中的重要性。从框架结构的侧移模式出发,导出结构一定性能水平的目标顶点位移,建立结构目标顶点位移与等效位移的关系式,根据位移反应谱,由等效位移推出框架结构在各性能水平的目标周期。然后,由pushover曲线确定结构刚度退化机理,导出结构各性能水平相应的自振周期比例关系,根据结构各性能水平自振周期与目标周期的关系确定结构最优设计方案。通过例题加以验证,说明了此设计方法的可行性。     

多点非一致激励下钢筋混凝土梁桥弹塑性抗震可靠度分析

建立以计算结构失效概率为目的的抗震动力可靠性分析方法对梁桥抗震分析水平的提高具有重要意义。基于结构动力可靠度理论,以Kanai-Tajimi模型为地震动激励,同时考虑地震波传播过程中时间迟滞所导致结构受到的多点非一致激励以及强震所导致的结构滞变特性(即弹塑性),并考虑桥梁设计基准期内地震发生的随机性,分析得到了梁桥在其设计基准期内不同地震烈度下的抗震可靠度。实例表明,所提分析方法与分析过程是合理可行的,为钢筋混凝土梁桥结构的抗震可靠性分析提供了参考。     

“破坏-安全”结构抗震理念及其应用

目前我国房屋建筑抗震采用的以小震弹性计算为基础的设计方法,使工程师忽视了对建筑结构在强烈地震作用下破坏模式的充分考虑与设计,使得建筑结构的大震安全性有时难以得到保证。＂破坏-安全＂抗震理念,以房屋建筑最重要的抗震安全性能为目标,要求设计人员对结构的预期破坏模式有充分的把握和控制,使结构在强烈地震作用下能够形成明确的预期破坏模式并具备一定的耗能能力,从而以经济的代价保证结构其余部分在强烈地震作用下的安全。本文结合我国汶川地震灾后恢复重建与加固改造的实际情况,介绍了＂破坏-安全＂抗震理念及其设计概念,并介绍了国内外研究人员与工程师在实现＂破坏-安全＂抗震理念方面所提出的创新抗震结构体系及其研究成果。希望＂破坏-安全＂这一抗震理念及其相关技术能够在我国广大的经济欠发达地区的抗震设计实践中得到推广,以全面提高我国经济欠发达地区房屋建筑的抗震安全性。     

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。     

钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析Ⅱ:可靠度指标及其灵敏度

将有限元反应及其灵敏度分析与结构可靠度分析的近似解析方法结合起来,可以进行具有隐式功能函数的大型复杂结构的可靠性分析。在基于位移的非线性纤维梁柱单元及其灵敏度直接微分表达式的基础上,通过力学变换、概率变换和反应灵敏度,将结构可靠度计算方法FORM和SORM与有限元方法有机地集成在一起。依据现行抗震设计规范,建立了钢框架结构典型构件承载能力和结构层间变形能力的抗震极限状态方程,利用地震作用的等效随机静力模型,采用非线性有限元静力可靠度方法,对一实际工程结构的抗震可靠度及其灵敏度进行了概率分析和评价,结果表明：尽管在大震作用下该结构的层间弹塑性变形可靠度较高,但是构件极限承载能力的可靠度指标较低,仍然存在失效的可能性。因此,仅验算“小震”作用下结构的承载能力可靠度和“大震”作用下结构的变形能力可靠度是不够的,还需要验算在“中震”和“大震”作用下结构的极限承载能力可靠度。     

钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析 II:可靠度指标及其灵敏度

将有限元反应及其灵敏度分析与结构可靠度分析的近似解析方法结合起来,可以进行具有隐式功能函数的大型复杂结构的可靠性分析。在基于位移的非线性纤维梁柱单元及其灵敏度直接微分表达式的基础上,通过力学变换、概率变换和反应灵敏度,将结构可靠度计算方法FORM和SORM与有限元方法有机地集成在一起。依据现行抗震设计规范,建立了钢框架结构典型构件承载能力和结构层间变形能力的抗震极限状态方程,利用地震作用的等效随机静力模型,采用非线性有限元静力可靠度方法,对一实际工程结构的抗震可靠度及其灵敏度进行了概率分析和评价,结果表明:尽管在大震作用下该结构的层间弹塑性变形可靠度较高,但是构件极限承载能力的可靠度指标较低,仍然存在失效的可能性。因此,仅验算"小震"作用下结构的承载能力可靠度和"大震"作用下结构的变形能力可靠度是不够的,还需要验算在"中震"和"大震"作用下结构的极限承载能力可靠度。     

多维地震作用下钢筋混凝土建筑结构的抗连续倒塌仿真分析

为了提高钢筋混凝土建筑结构的抗震性能,分析多维地震作用下钢筋混凝土建筑结构的抗连续倒塌能力,结合钢筋混凝土建筑结构特性、节点构造特点以及其在多维地震作用下的破坏机理,采用离散单元法建立结构连续倒塌的理论模型,对建筑结构连续倒塌过程进行数值模拟。基于数值模拟化结果,通过备用荷载路径法,实现建筑结构的抗连续倒塌分析。仿真实验结果得出,所提方法能实现对建筑结构抗连续倒塌的准确分析,且在多维地震作用下建筑结构扭转的幅度明显变大,结构顶层位移发散状态显著,不同楼层会产生不同的层间位移以及薄弱部位,建筑结构的抗连续倒塌性能随着失效构件位置的提升而增强。     

基于概率密度演化的基础隔震结构随机响应分析

针对抗震结构和基础隔震结构,应用概率密度演化方法对其进行多遇地震作用下的线性随机响应分析。通过引入工程地震动物理随机函数模型,采用数论选点法对多维外荷载随机变量进行离散代表点的生成并求得其赋得概率,利用离散代表点合成地震动加速度时程样本作为输入结构的随机激励,对于每条地震波,相当于对结构进行确定性动力反应分析。在求得结构响应及其相关导数后,应用TVD差分格式求解广义概率密度演化方程即可得到所求响应的时变概率密度及其演化。结果表明：基础隔震结构在随机地震作用下相比抗震结构具有良好的减震性能,隔震层的设置能够减小结构位移响应的标准差,减少了结构响应的离散型;概率密度演化方法不仅能够给出结构响应的二阶统计矩,还能全面地反映结构响应的时变概率信息,位移响应的概率密度函数分布不服从正态分布或其他常用分布,且随着时间演化。     

大震下被动与智能隔震结构动力可靠度的对比

对被动及智能隔震结构在“大震”条件下的动力可靠度进行探讨。将被动及智能隔震体系均取作弹塑性模型,并用退化Bouc-W en滞变模型描述上部结构的恢复力,用非退化Bouc-W en模型描述隔震层的恢复力。采用虚拟激励法计算结构的随机响应,根据我国抗震规范中“大震不倒”的设防目标,采用各层最大层间位移峰值响应和累积滞变耗能构造双参数的随机疲劳累积损伤指数,作为功能状态指标。假定各层失效相关,用串联系统计算体系动力可靠度。通过数值算例,对比了被动隔震、智能隔震与非隔震体系的条件失效概率,从动力可靠度角度显示了智能隔震体系的减震优势。