基于推覆分析的RC框架地震倒塌易损性预测

基于倒塌率的结构倒塌易损性分析是目前评价结构抗倒塌能力最合理的方法.但是,目前基于增量动力分析(IDA)的倒塌率分析方法,工作量和实施难度大,很难直接用于工程设计,因此有必要研究便于工程应用的新方法.本文基于18个典型多层RC框架结构的IDA倒塌率分析和静力推覆分析,发现RC框架在大震下的倒塌率及抗倒塌安全储备(CMR)与静力推覆得到的结构位移安全储备之间存在较好的相关关系.依据此关系,建议了保证大震倒塌率的推覆位移安全储备,并通过9个RC框架结构算例进行了验证.本文方法简单易行,可供规则多层RC框架结构抗倒塌设计参考.     

移除底层关键柱后钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能分析

目前国内外学者将地震倒塌和连续倒塌作为两个独立的领域进行研究,实际上框架结构的倒塌破坏系由二种机理耦合作用所致。针对此问题,采用拆除构件设计法,应用有限元程序ANSYS/LS-DYNA完成了钢筋混凝土框架结构拆除底层关键柱后在地震作用下的倒塌仿真分析,重点研究了层高、跨度、层数和关键柱位置对钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的影响。结果表明:对于平面框架模型,由底层柱脚及梁柱节点区柱端失效破坏引起的柱铰破坏机制,是导致结构倒塌的主要原因。底层中柱失效后,底层迅速转化为柱铰机制,结构在重力作用下失稳坍塌,适当增加层高,减小跨度,增加层数对框架结构在底层关键柱失效后的抗地震倒塌性能有益;对于三维空间框架模型,分析表明,空间框架结构在拆除角柱后框架倒塌破坏最为严重,结构的破坏过程可以概括为3个阶段:(1)弹性阶段;(2)重力作用影响占主导地位的塑性阶段;(3)地震作用占主导地位的塑性阶段。     

RC异形柱框架抗连续倒塌静载试验研究

按照我国现有抗震标准设计了一个1/3缩尺的两层3×2跨异形柱框架结构模型,并在替代柱的二层柱顶进行了竖向静力加载,以研究模型框架在失去底层短边中柱后,框架结构在倒塌破坏过程中的受力特性、破坏机理以及最终的破坏形态。研究结果表明:框架的倒塌破坏全过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和悬链线阶段;梁端塑性铰、框架梁的悬链线作用及失效柱相邻跨内梁板柱的空间作用,可有效提高结构的抗连续倒塌能力;框架结构顶层角部的梁柱节点为关键构件。     

钢筋混凝土框架结构强震连续倒塌破坏分析

为研究结构在强震作用下的连续倒塌机制,提高建筑抗震性能,对10层钢筋混凝土框架结构进行了倒塌模拟,得到其破坏起始点和传递路径并与实际震灾进行对比。研究发现:框架结构设计时应重点加强潜在破坏起始点和传递路径上的抗震能力。强柱弱梁结构真正起到增加结构延性的常是底部几层梁,当其达到耗能极限,底柱便开始破坏,易导致结构整体倒塌。研究结构对钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计具有参考价值。     

不同强度等级混凝土对混凝土框架结构的抗倒塌分析

近几十年来地震频发,给世界各国带来了严重的经济损失和人民生命安全威胁。灾后调查发现,由于建筑物的倒塌带来的灾难影响非常重大。利用PKPM建筑设计软件和SAP2000有限元分析软件,根据美国国防部编制的《结构抗连续倒塌设计》(Do D2005)提出的拆除构件法,对建筑结构常用的一种形式——钢筋混凝土框架结构进行了倒塌过程的分析。通过比较使用不同强度等级的混凝土来分析结构的倒塌,最后得出:混凝土框架结构使用高强度等级的混凝土可以减少结构的层间位移角,从而减少倒塌的范围。     

基于增量动力分析方法的高层建筑框架结构抗倒塌可靠性评估

传统方法对高层建筑框架结构抗倒塌可靠性进行评估时,只是单纯的从整体角度进行分析,导致得到的结果不够精确,无法准确反映出高层建筑框架结构的抗倒塌能力。文章提出了基于增量动力分析的高层建筑框架结构抗倒塌可靠性评估方法,对高层建筑框架结构安全储备进行详细分析,获取建筑框架结构倒塌储备系数;在此基础上,采用增量动力分析法设定高层建筑框架结构抗倒塌能力系数,并根据该系数得到高层建筑框架结构抗倒塌可靠性评估流程。测试结果表明,所提方法得出的评估结果可信度较高,实现了高层建筑框架结构抗倒塌的准确评估。     

主余震作用下山地掉层框架结构的易损性分析

一次强震过后通常伴有多次余震发生,由于主震和其后续余震之间的间隔时间较短,使得主震损伤结构未能得到及时修复而进一步遭受余震作用,产生“二次损伤”。山地结构的受力性能与普通结构有显著差别。参考我国现行规范设计了具有代表性的3个不同掉层数与掉跨数的山地掉层框架结构及1个普通平地框架结构,采用增量动力分析方法,以Park-Ang损伤指数作为结构响应参数DM,以PGA作为地震动强度参数IM,给出了掉层结构以及平地结构在主余震作用下的易损性曲线,对比分析了掉层结构与平地结构的易损性,研究了余震对各结构易损性的附加影响。基于抗倒塌储备系数(CMR)评价了结构的抗倒塌能力,比较了各结构的抗震倒塌安全储备。结果表明:余震会提高结构的超越概率,且随着余震强度的提高,超越概率越大;掉层结构的超越概率更高,且掉层数与掉跨数对结构地震易损性的影响较大;与平地结构相比,山地掉层结构抗倒塌储备系数较小,抗倒塌安全储备较低。对于掉层结构,掉跨数与掉层数的增加均会降低结构的抗倒塌安全储备,且掉层数对CMR的影响更大。     

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。     

考虑结构构件退化特性评估大震下RC框架抗整体性倒塌能力

基于大震和特大震下倒塌率目标的抗震分析与设计是结构抗震领域的主要发展方向,而大震及特大震作用下结构抗整体性倒塌能力的准确评估是其中的关键科学问题。首先对国内外结构抗整体性倒塌能力的研究工作进行了总结,重点介绍了多种微观和宏观本构模型特性及大震作用下考虑结构构件退化特性对抗整体性倒塌能力的影响。在此基础上,详细阐述了通过增量动力分析获得结构抗倒塌能力易损性曲线及确定结构抗倒塌能力极限状态的方法。最后以一个RC单层单跨平面框架结构分析模型为例,利用OpenSees分析软件,研究了钢筋后期强度退化对结构抗整体性倒塌能力评估结果的影响,结果表明不考虑钢筋后期强度退化会明显高估结构的抗倒塌能力。     

基于构件拆除法的RC框架结构动力反应和抗倒塌能力分析

目前,地震及爆炸荷载下的结构连续倒塌问题已成为土木工程领域研究的热点。本文首先简要介绍了国内外有关连续倒塌问题的研究现状和规范制定情况,然后基于OpenSees模拟平台,对一钢筋混凝土框架结构进行了拆除柱构件的动力分析。计算结果表明:拆除边柱比拆除内柱对结构的倒塌危险性要大,楼板对拆除构件后结构的动力反应有一定的减小作用。依据美国公共事务管理局(GSA)的倒塌规范,采用静力非线性分析和竖向增量动力分析对结构抗连续倒塌能力进行了研究。分析结果表明:楼板在一定程度上可提高结构抗连续倒塌能力;动力放大系数(DAF)随结构进入塑性而逐渐增大;由静力非线性分析曲线得到的结构抗连续倒塌能力曲线与竖向增量动力分析曲线吻合较好。     

Seismic performance analysis and design suggestion for frame buildings with cast-in-place staircases

Many staircases in reinforced concrete (RC) frame structures suffered severe damage during the Wenchuan earthquake. Elastic analyses for 18 RC structure models with and without staircases are conducted and compared to study the influence of the staircase on the stiffness, displacements and internal forces of the structures. To capture the yielding development and damage mechanism of frame structures, elasto-plastic analysis is carried out for one of the 18 models. Based on the features observed in the analyses, a new type of staircase design i.e., isolating them from the master structure to eliminate the effect of K-type struts, is proposed and discussed. It is concluded that the proposed method of staircase isolation is effective and feasible for engineering design, and does not significantly increase the construction cost.     

阻尼填充墙优化布置对不规则框架结构抗震性能的影响

在不规则结构中,填充墙的表现对框架结构的局部以及整体抗震性能的表现显得非常重要。随着阻尼填充墙的深入研究,大大提高了框架填充墙结构的抗震性能。但由于阻尼填充墙施工工艺复杂、施工成本较高,很难得以大规模使用。为了实现既降低施工的难度和成本又提高框架结构的抗震性能,本文选取一座不规则框架结构对其地震表现进行分析。采用局部优化布置阻尼填充墙的方法,达到既提高结构抗震性能又降低施工难度和成本的要求,为框架填充墙结构的设计提供一定的建议。     

新型滑移隔震结构模型的振动台试验研究

利用实体软钢棒作为消能限位装置,将一种摩擦性能优良的二硫化钼材料作为隔震支座的滑移材料,提出并制作了一种可以应用于框架结构既能隔震又可以消能的新型摩擦滑移隔震装置。探讨了其设计方法和应用方法,并对安装了该新型摩擦滑移隔震装置的一相似比为1:5的5层框架结构模型进行了振动台试验,测试了框架结构在单向地震波作用下的地震反应规律,分析了摩擦滑移隔震结构的加速度反应、层间剪力反应、隔震层滑移量及隔震层剪力的变化规律。结果表明:一般情况下当设防烈度为8度,Ⅱ类场地时,该隔震结构的加速度响应可降低50%左右,层间剪力响应可降低50%左右,减震效果比较明显。另外,只要确定合理的构造方案和实施方案,这种新型摩擦滑移隔震装置就能满足框架结构的隔震减震要求,可应用于实际工程结构中。     

消能支撑框架结构设计方法探讨

本文提出了一种新的消能支撑框架结构设计方法，该方法能够实现罕遇地震下结构的目标位移控制，其主要设计思路是框架主体结构按非抗震设计或降低烈度进行抗震设计，消能支撑则由罕遇烈度地震下满足给定层间位移角限值的优化计算来确定。本文还给出了一个15层框架结构的设计算例，并把本文方法的设计结果与按常规方法的设计结果进行了比较。     

新型钢节点木构架-生土墙结构抗震性能拟静力试验研究

针对我国村镇地区仍广泛存在生土结构房屋,且其结构整体性及抗震性能较差的现状,提出一种可有效提高其抗震性能、具有施工便捷性和装配属性的新型钢节点木构架-生土墙结构形式。进行了新型钢节点木构架-生土墙与农房中常见的素生土墙、上土坯下砖砌体混砌墙、传统榫接木构架-生土墙的拟静力对比试验,比较了4个墙体试件的破坏形态、滞回曲线和骨架曲线特征,以及延性系数、耗能能力、极限层间位移角等抗震性能指标。研究表明:素生土墙和上土坯下砖砌体混砌墙抗震性能较差,木构架的约束作用可有效提升生土墙的抗剪承载力和延性,新型钢节点连接的木构架-生土墙抗震性能优于榫接形式,具备一定的推广应用价值。     

装配式钢筋混凝土框架节点抗震性能试验研究

通过对2个新型装配式混凝土框架节点和1个现浇混凝土框架节点进行拟静力试验研究,对比分析装配式混凝土框架节点破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化和耗能能力等指标。研究结果表明:新型装配式混凝土框架节点比普通现浇混凝土框架节点具有较好的滞回性能,较高的耗能能力以及较缓的刚度退化。在满足梁筋锚固长度要求的前提下,预制梁内钢端头长度增加使框架节点抗震性能稍有提高。装配部分后浇混凝土可以提高框架节点的承载能力和刚度。采用ABAQUS有限元软件对节点进行数值模拟,发现模拟结果与试验结果吻合较好。     

Towards realistic minimum-cost optimization of viscous fluid dampers for seismic retrofitting

This paper presents an effective approach for achieving minimum cost designs for seismic retrofitting using viscous fluid dampers. A new and realistic retrofitting cost function is formulated and minimized subject to constraints on inter-story drifts at the peripheries of frame structures. The components of the new cost function are related to both the topology and to the sizes of the dampers. This constitutes an important step forward towards a realistic definition of the optimal retrofitting problem. The optimization problem is first posed and solved as a mixed-integer problem. To improve the efficiency of the solution scheme, the problem is then re-formulated and solved by nonlinear programming using only continuous variables. Material interpolation techniques, that have been successfully applied in topology optimization and in multi-material optimization, play a key role in achieving practical final design solutions with a reasonable computational effort. Promising results attained for 3-D irregular frames are presented and compared with those achieved using genetic algorithms.     

Multiobjective optimization for performance‐based seismic design of steel moment frame structures

The performance‐based seismic design of steel special moment‐resisting frame (SMRF) structures is formulated as a multiobjective optimization problem, in which conflicting design criteria that respectively reflect the present capital investment and the future seismic risk are treated simultaneously as separate objectives other than stringent constraints. Specifically, the initial construction expenses are accounted for by the steel material weight as well as by the number of different standard steel section types, the latter roughly quantifying the degree of design complexity related additional construction cost; the seismic risk is considered in terms of maximum interstory drift demands at two hazard levels with exceedance probabilities being 50% and 2% in 50 years, respectively. The present formulation allows structural engineers to find an optimized design solution by explicitly striving for a desirable compromise between the initial investment and seismic performance. Member sizing for code‐compliant design of a planar five‐story four‐bay SMRF is presented as an application example using the proposed procedure that is automated by a multiobjective genetic algorithm. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

A Bayesian probabilistic approach for structure damage detection

A Bayesian probabilistic approach is presented for the damage detection of multistorey frame structures. In this paper, a Bayesian probabilistic approach is applied to identify multiple damage locations using estimated modal parameters when (1) the measurement data are potentially corrupted with noise, (2) only a small number of degrees of freedom are measured, and (3) a few fundamental modes are estimated. To reduce the potentially intensive computational cost of the proposed method, a branch-and-bound search scheme is proposed and a simplified approach for the modelling of multistorey frame structures is employed. A six-storey shear frame example and two multistorey frame examples, with multiple damage locations, are presented to illustrate the applicability of the proposed approach. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.