钢筋混凝土框架中震可修标准及简化抗震设计方法

本文对国际上主要建筑抗震设计规范中钢筋混凝土框架可修水准的层间位移角限值进行了比较,讨论了国内的一些相关研究结果,结合中国抗震规范确定钢筋混凝土框架中震可修层间位移角限值和屋顶侧移率限值分别为1/150和1/200。采用安全系数的抗震设计表达、论述了对应于结构层间位移角基于承载力的简化抗震设计方法。最后用实例按反应谱分析和弹性时程分析验证了钢筋混凝土框架中震可修层间位移角限值的有效控制作用,初步确定了简化抗震设计方法中梁柱构件的抗震安全系数并分析了提高目前结构抗震安全度的措施。     

上海环球金融中心大厦结构模型振动台抗震试验

上海环球金融中心大厦高101层,结构高度492m,高宽比8．49,拟建成为世界上结构主体最高的建筑物。大厦采用了三重结构体系抵抗水平荷载,它们由巨型框架、钢筋混凝土核心筒及构成核心筒和巨型型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架组成;核心筒竖向不连续,由低筒、中筒和上部筒3部分组成;二对角巨型柱在42层以上开始分叉形成倾斜曲面,巨型斜撑只设置在垂直立面上,且采用单向支撑。根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002),该建筑总高超过了型钢混凝土框架一钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值,同时高宽比超过了设防烈度7度地区为7的限值。为研究它在地震作用下的抗震性能,进行了缩尺(1／50)模型的振动台试验。试验结果表明,该结构体系合理,具有足够的水平刚度,在地震作用下位移反应不大,扭转效应比较小,满足我国抗震设防要求。     

8.5度设防区剪力墙结构层间位移角限值探讨

为满足小震作用下结构层间位移角限值的要求,抗震设防高烈度区设计的结构竖向构件多,截面尺寸大,影响建筑使用空间。控制小震作用下的层间位移角除满足舒适度、装饰结构和机械设备正常使用的需求外,主要目的是确保结构大震不倒。根据新疆喀什地区(8.5度设防)128条强震地震动和当地实际工程,参照现行不同规范对层间位移角限值的规定,以层间位移角和高度为控制参数,设计6个剪力墙结构模型,采用基于构件变形的抗震性能评估方法研究大震作用下结构的安全性。结果表明：6个剪力墙结构在8.5度大震作用下均满足“大震不倒”的要求,且在两倍大震作用下具有合理的屈服耗能机制。建议小震作用下新疆喀什地区剪力墙结构的弹性层间位移角限值放松至1/500。     

考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析

为了减少地震对建筑结构层间位移的影响,在考虑结构底部受剪的建筑中,针对层间位移调控与抗震性能的关系展开分析研究。设计建筑层间位移计算方法,计算梁、柱和节点受剪后的侧移,并依据计算结果,设置建筑层间位移限值约束条件,采用降低框架的梁距与柱距、平面结构与立体结构间的转换、弯-剪双重体系等方式,调控建筑层间位移。以某实际工程为例进行抗震性能测试验证,结果表明：所使用的层间位移计算公式的误差小于3.5%;在Kobe波与El-Centro波下的层间位移范围分别为0.43～0.82 mm和0.40～0.42 mm;经调控后,层间位移保持在0.4～1.1 mm之间,能够提升建筑的抗震性能。     

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.     

多层钢管混凝土柱-铰接钢梁-混凝土核心筒结构振动台试验研究

验证研究新型多层钢管混凝土柱-铰接钢梁-混凝土核心筒结构的震损和反应特点。制作9层1/40的缩尺模型进行振动台测试,调查结构的震损特点、动力特性和地震反应。结果表明:震损出现在楼板与钢管混凝土柱、核心筒以及钢梁连接处的楼板上,震损破坏为变形引起的连接构造破坏和结构性破坏;自振周期随震损增加而增大,动力放大效应减小,侧向变形和层间位移显著增大;结构平均最大层间位移角超过规范框架-核心筒结构不倒塌限值的4.08倍而未出现倒塌;外排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;相对于超高层结构,多层结构的剪重比显著增大,未出现因倾覆力矩过大而导致核心筒破坏的情况,较大层间位移角与损伤破坏的相关性提高。     

基于增量动力分析的带耗能腋撑钢筋混凝土转换结构抗震性能评估

增量动力分析(IDA)是一种用于结构抗震性能评估的参数分析方法。通过分析IDA曲线,可更全面地了解结构的地震需求、刚度退化、强度退化与地震动强度的关系。基于转换结构抗震性能差的问题,在转换层处设置耗能腋撑,以普通和带耗能腋撑钢筋混凝土框架转换结构为研究对象,对其进行增量动力分析,评估普通与带耗能腋撑钢筋混凝土转换结构的抗震性能。分析表明,耗能腋撑能有效地降低转换层处的地震反应,不同工况下的最大层间位移角减幅为20%～60%,最大层间位移角均值曲线在转换层处的突变得到减缓。普通与带耗能腋撑钢筋混凝土框架转换结构对应"基本完好"和"防止倒塌"性能水准的层间位移角限值分别为1/850、1/100与1/720、1/80,均小于高规规定框架结构在相应性能水准下的层间位移角限值1/550和1/50。普通与带耗能腋撑钢筋混凝土框架转换结构无法满足"大震不倒"的要求,需要调整耗能腋撑的参数以满足规范要求。     

钢管混凝土框架-混凝土核心筒减震结构振动台试验研究

某超高层钢管混凝土框架-混凝土核心筒结构因指标超限在设计中采用了耗能减震技术,为了检验该减震结构的抗震性能,制作了1/35的缩尺模型,通过在钢管混凝土框架设置阻尼器或不设置阻尼器,进行模拟地震振动台对比试验,研究了模型结构的动力特性和不同烈度地震作用下的加速度、位移和应变响应。研究结果表明:地震作用下,该钢管混凝土框架-混凝土核心筒减震结构与钢管混凝土框架-混凝土核心筒结构相比,位移、加速度和应变响应均有一定程度的降低;罕遇地震作用下,通过设置耗能减震构件,层间位移角最大值从超过规范要求的1/84减低至满足规范要求的1/130,表明该减震结构具有更优良的抗震性能。     

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。     

双向速度脉冲地震下偏心重力柱核心筒结构的弹塑性地震响应研究

研究速度脉冲地震和结构质量偏心综合不利条件下新型重力柱-核心筒结构体系的弹塑性反应规律。选取速度脉冲和非速度脉冲地震加速度记录各10条,进行地震动双向输入,采用结构非线性分析软件CANNY进行有限元数值分析,研究脉冲型地震和结构质量偏心对新型体系弹塑性地震反应的影响。分析结果表明,速度脉冲型地震作用下各结构的层间位移角、层间剪力和层间扭转角显著高于非速度脉冲地震下的相应值。质量偏心对结构弹塑性抗震需求影响显著,层间位移角和层间扭转角都随着偏心率的增大而增大,而层间剪力则随偏心率的增大呈减小趋势。建议在重力柱-核心筒结构设计中应重视速度脉冲地震和结构偏心的耦合不利影响。     

Seismic response of structures with coupled vertical stiffness–strength irregularities

Several seismic design codes around the world restrict the use of theit Equivalent Lateral Force analysis method to structures satisfying structural regularity limits. These regularity limits are based on engineering judgement and lack quantitative justification. One common irregularity is that of a change in vertical stiffness over the building height. This stiffness irregularity is almost always associated with a change in vertical strength over the building height. For this reason, the effect of various realistic combinations of stiffness–strength irregularity in shear‐type buildings is evaluated to quantify regularity limits. Structures analysed had 3, 5, 9 and 15 storeys, and the floor mass at all the levels were kept the same. Both regular and irregular structures were designed in accordance with the Equivalent Lateral Force procedure to produce the same engineering demand parameter. Structural ductility factors of 1, 2, 3, 4 and 6, and target (design) interstorey drift ratios ranging between 0.5 and 3%, were used in this study. The irregular structures were created by modifying specific storey lateral stiffnesses from that of the regular structure. Strengths at these storeys were also modified to ensure realistic relationships between stiffness and strength. The modified structures were then redesigned until the target interstorey drift ratio was achieved at the critical storey. Inelastic dynamic time‐history analysis was conducted to compare the maximum interstorey drift ratio demands of the regular and irregular structures. Simple equations were developed to estimate possible variations in demand due to vertical stiffness–strength irregularity applied at critical locations in structures. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

非线性黏滞阻尼减震结构基于位移的设计方法

结合我国抗震设计规范,提出非线性黏滞阻尼减震结构基于位移的设计方法.根据减震结构的特点,将其性能划分为使用良好、人身安全和防止倒塌3个水平,并用层间位移角限值予以量化;以简化的方法计算非线性黏滞阻尼器的等效阻尼比.在此基础上将结构转化为等效单自由度体系,利用基于位移的设计方法对非线性黏滞阻尼减震结构进行设计,通过算例,介绍用该方法对框架结构进行非线性黏滞阻尼减震设计的设计过程.实例分析表明,提出的非线性黏滞阻尼减震结构基于位移的设计方法是可行的,并且与时程分析得出的平均结果吻合较好,而且该方法简单实用,便于操作,能够控制减震结构在不同强度水准地震作用下的性能.     

Direct displacement-based seismic design of steel eccentrically braced frame structures

This paper details a direct displacement-based design procedure for steel eccentrically braced frame (EBF) structures and gauges its performance by examining the non-linear dynamic response of a series of case study EBF structures designed using the procedure. Analytical expressions are developed for the storey drift at yield and for the storey drift capacity of EBFs, recognising that in addition to link beam deformations, the brace and column axial deformations can provide important contributions to storey drift components. Case study design results indicate that the ductility capacity of EBF systems will tend to be relatively low, despite the large local ductility capacity offered by well detailed links. In addition, it is found that while the ductility capacity of EBF systems will tend to reduce with height, this is not necessarily negative for seismic performance since the displacement capacity for taller EBF systems will tend to be large. To gauge the performance of the proposed DBD methodology, analytical models of the case study design solutions are subject to non-linear time-history analyses with a set of spectrum-compatible accelerograms. The average displacements and drifts obtained from the NLTH analyses are shown to align well with design values, confirming that the new methodology could provide an effective tool for the seismic design of EBF systems.     

强震下框架-剪力墙结构损伤破坏量化指标研究

为了探究能够全面评估钢筋混凝土结构抗震性能的量化指标,借助有限元软件ABAQUS对一拟建的10层框架-剪力墙结构进行了大量的非线性动力时程数值计算,对比分析了不同地震作用下最大层间位移角与滞回耗能的分布情况,从结构滞回耗能的角度揭示了破坏机制,得到主要结论如下:结构层间位移角最大的位置不一定是损伤破坏最严重或者薄弱的部位,以层间位移角作为整体结构抗震性能的判别指标离散性较大,计算结果易受所选地震波的方法及数量影响;结构滞回耗能沿楼层的分布受地震波选取方法和数量的随机性影响较小,结构底层耗能对结构整体耗能贡献最大,约占结构总耗能的60%,其余各楼层滞回耗能约占结构总滞回耗能的1%~8%;梁和柱滞回耗能主要集中于结构底部1层,总的框架梁滞回耗能仅占结构总滞回耗能的18%~22%,绝大部分地震输入能由框架柱吸收,总的框架柱滞回耗能占结构总滞回耗能的80%左右,该计算结果与实际震害中结构主要形成"柱铰"破坏机制的现象较为一致。     

混凝土小砌块约束砌体结构的抗震性能——基于层间位移的分析

混凝土小砌块约束砌体结构,由于加入芯柱、构造柱、圈梁,使结构整体性提高,因此具有较好的抗震性能和发展前景。通过整理94个混凝土小砌块约束砌体墙片试验数据,考虑权重,统计了混凝土小砌块约束砌体墙片延性系数,给出了延性系数与高度、延性系数比与高宽的关系,同时给出了层间开裂位移角、层间极限位移角公式,以及接近倒塌时混凝土小砌块约束砌体结构层间位移的计算公式,并与一个八层混凝土小砌块约束砌体结构的动力时程分析结果进行了对比,结果显示,最大误差在顶层,为17.7%,因此,所提层间位移计算公式是可以满足工程精度需要的,为混凝土小砌块约束砌体结构基于性态的抗震分析提供参考。     

近断层脉冲型地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能研究

近断层地震动中长周期、短持时和高能量的加速度脉冲将对高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能产生不利影响,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后的隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。为此,通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,考察近断层脉冲型地震动作用下框架-核心筒摩擦摆基础隔震结构的层间位移角、楼层加速度和隔震层变形等响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR （sway-rocking）模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:高层摩擦摆基础隔震结构在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果相比普通地震动减震效果变差,楼层剪力、层间位移角和隔震层变形等超越普通地震动作用下的1.5倍;对于Ⅲ和Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震结构的地震响应进一步放大,弹塑性层间位移角随着土质变软增大尤为明显。     

基于IDA的方钢管混凝土框架-SPSW核心筒结构地震易损性研究

为研究方钢管混凝土框架-钢板剪力墙（SPSW）核心筒结构在不同强度地震下破坏概率,使用拉杆模型作为钢板剪力墙等效模型,与已有试验对比验证各参数有效性。以地震动峰值加速度（PGA）作为地震动强度参数,按照场地条件等要求选择11条地震动记录。以结构最大层间位移角作为损伤指标,对一典型方钢管混凝土框架-钢板剪力墙核心筒结构进行增量动力分析（IDA）,得到IDA曲线簇。基于增量动力分析进行易损性分析,得到易损性曲线,并计算结构的抗倒塌储备系数。结果表明:8度多遇地震作用下,此结构处于正常使用状态。8度设防地震作用下,处于修复后可使用状态。8度罕遇地震作用下,处于生命安全状态。表明该结构具有良好的抗震性能,满足规范中“小震不坏”、“中震可修”和“大震不倒”的抗震设防目标。该结构抗倒塌储备系数大于规范建议值,具有较好的抗倒塌能力。     

内约束方钢管混凝土柱抗震性能研究

由于方钢管对混凝土约束作用较弱,地震作用下方钢管混凝土柱底部钢管易出现屈曲,因此本文提出一种新型内约束方钢管混凝土柱。基于ABAQUS有限元软件,本文采用合理的材料本构模型建立内约束方钢管混凝土柱三维实体精细有限元模型,该模型能准确反应钢管、混凝土以及拉筋之间的相互作用,又能反应拟静力作用下混凝土的塑性损伤和钢材的循环硬化规律。有限元结果与试验结果吻合良好。首先,在此基础上笔选出最佳内约束形式,对拉箍筋方钢管混凝土柱的抗震性能明显优于圆环箍筋;其次,提出在不同轴压比下内约束方钢管混凝土柱的焊接拉筋最佳布置长度和合理体积配箍率;再次,探讨不同参数对内约束方钢管混凝土柱滞回性能的影响,结果表明:提高截面含钢率和长细比能有效改善组合柱的极限承载力,而轴压比在一定范围内有利于能提高柱的承载力;最后,讨论了约束措施对内约束方钢管混凝土柱耗能性能的影响。     

Optimized earthquake response of multi‐storey buildings with seismic isolation at various elevations

The response of multi‐storey structures can be controlled under earthquake actions by installing seismic isolators at various storey levels. By vertically distributing isolation devices at various elevations, the designer is provided with numerous options to appropriately adjust the seismic performance of a building. However, introducing seismic isolators at various storey levels is not a straightforward task, as it may lead to favourable or unfavourable structural behaviour depending on a large number of factors. As a consequence, a rather chaotic decision space of seismic isolation configurations arises, within which a favourable solution needs to be located. The search for favourable isolators' configurations is formulated in this work as a single‐objective optimization task. The aim of the optimization process is to minimize the maximum floor acceleration of the building under consideration, while constraints are specified to control the maximum interstorey drift, the maximum base displacement and the total seismic isolation cost. A genetic algorithm is implemented to perform this optimization task, which selectively introduces seismic isolators at various elevations, in order to identify the optimal configuration for the isolators satisfying the pre‐specified constraints. This way, optimized earthquake response of multi‐storey buildings can be obtained. The effectiveness of the proposed optimization procedure in the design of a seismically isolated structure is demonstrated in a numerical study using time‐history analyses of a typical six‐storey building. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Estimation of seismic drift demands for frame structures

A process is outlined and evaluated for the estimation of seismic roof and storey drift demands for frame structures from the spectral displacement demand at the first mode period of the structure. The spectral displacement demand is related to the roof drift demand for the multi‐degree‐of‐freedom (MDOF) structure using three modification factors, accounting for MDOF effects, inelasticity effects, and P‐delta effects. Median values and measures of dispersion for the factors are obtained from elastic and inelastic time history analyses of nine steel moment resisting frame structures subjected to sets of ground motions representative of different hazard levels. The roof drift demand is related to the storey drift demands, with the results being strongly dependent on the number of stories and the ground motion characteristics. The relationships proposed in this paper should prove useful in the conceptual design phase, in estimating deformation demands for performance assessment, and in improving basic understanding of seismic behaviour. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.