近海大气环境下RC框架结构时变地震易损性分析

由于近海大气环境中存在的氯离子会侵蚀RC框架结构,造成材料性能不断劣化,最终降低了RC框架结构的抗震性能。为研究近海大气环境下RC框架结构地震损伤风险变化规律,基于钢筋均匀锈蚀模型及混凝土开裂前后钢筋锈蚀速率的变化规律,提出了一种改进的钢筋锈蚀率概率模型,并构建材料性能劣化模型。在此基础上,根据解析易损性分析理论,建立考虑氯离子侵蚀的近海大气环境RC框架结构时变易损性分析方法,并构建典型结构,分析不同损伤状态下的时变易损性曲线,评估其时变易损性与损伤状态。研究结果表明:当地震动强度指标取值相同时,各损伤状态结构在服役龄期内的地震易损性呈现出非线性增大趋势,抗震性能不断退化;以易损性指数作为结构损伤指标时,按照我国规范设计的RC框架结构,在30 a服役龄期内能够满足我国三性能抗震设防水准。

近场地震动对我国RC框架结构地震响应影响分析

近场地震常含有丰富的脉冲成分,其短时间内产生的冲击效应会对近场地区建筑结构造成严重破坏。钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构在我国城镇地区应用较多,为此应开展近场地震动对我国框架结构地震响应影响研究。基于近期记录较为完整的土耳其M 7.8级地震,筛选出近场脉冲型和非脉冲型两类地震动各2条作为输入,并对比分析了4条地震动加速度反应谱的形状特征;按8度设防设计并建立了4、7、10层三个不同周期的RC框架结构有限元分析模型,利用现有试验结果验证了该模型的准确性;采用非线性动力时程分析方法,通过比较地震加速度反应谱、结构层间位移角、结构耗能和梁、柱构件利用率等指标,从结构整体到构件层面综合分析了这两类地震动对框架结构地震响应的影响。研究结果表明:所选的脉冲型地震动加速度反应谱平台段较长且双峰和多峰特性明显,非脉冲型地震动加速度反应谱的单峰特性明显;在这两类地震动作用下,短周期结构整体响应以及梁、柱构件的破坏程度均与地震加速度反应谱值呈正相关性;而对于中和长周期结构,相比较非脉冲型地震动,脉冲型地震动作用下会造成加速度反应谱值小,而结构整体响应以及梁、柱构件的破坏程度较大的现象。因此,对该类结构进行抗震设计时应充分考虑近场地震动脉冲效应的影响。

柔性连接填充墙RC框架结构非线性有限元分析

为了研究橡胶作为新型柔性连接材料对填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能的影响,在7榀1/2缩尺填充墙RC框架结构低周反复加载试验的基础上,采用DIANA有限元软件分析了填充墙与框架之间的连接方式、砌块材料、柔性连接材料以及砂浆强度对填充墙RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:与刚性连接相比,以橡胶作为新型柔性连接材料,能减缓结构的强度和刚度退化,极大降低结构的破坏程度,显著提高结构的抗震性能;高弹性橡胶和高阻尼橡胶作为柔性连接材料均表现出优异的抗震性能,而聚苯板(EPS)作为柔性连接材料的抗震性能要比橡胶差;刚性连接方式下不同砌块材料对结构抗震性能影响很大,当使用强度较高的砌块材料时建议采用柔性连接方式以减弱墙-框相互作用;合理降低砂浆的强度等级,可以改变填充墙的破坏模式,对抗震有利。

我国沿海地区RC框架结构地震易损性分析

文章考虑到近海大气的腐蚀环境,在材料层次,通过考虑钢筋应力及弹性模量削弱、混凝土碳化作用、保护层混凝土开裂软化、核心区混凝土极限压应变降低等模拟氯离子等侵蚀对RC框架结构材料性能的影响,并基于实验数据从构件和框架整体上验证了模拟方法的正确性;在结构层次,基于上述材料力学性能退化模型,对6层和9层的不同龄期的框架结构,采用IDA方法进行时程分析,以地震动峰值地面加速度为地震动强度指标,最大层间位移角为结构损伤指标,得到了不同腐蚀龄期、层高、设防烈度的易损性曲线。结果表明:同一设防烈度下,腐蚀龄期越长,结构的超越概率越大;同一龄期下,设防烈度越低,结构的超越概率越大。

基于人工神经网络的RC框架结构地震响应预测方法

为了实现钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架结构地震响应的快速预测,提出了一种基于人工神经网络的RC框架结构地震响应预测方法,设计低层、多层和小高层共3个典型RC框架结构作为研究对象,以四川雅安地区为目标场地,基于条件均值谱选取地震动记录作为输入并进行弹塑性时程分析,所得样本数据用于训练人工神经网络。以地震动强度信息和结构信息为输入预测结构响应,同时对模型进行参数敏感性分析。结果表明:建立的人工神经网络模型具有较好的泛化性能,平均谱加速度具有最高的平均影响值,提出的方法为快速预测RC框架结构地震响应提供了方法借鉴。

考虑填充墙平面刚度分布的RC框架结构抗地震倒塌能力研究

为研究填充墙对RC框架结构抗震性能的影响,以汶川地震中发生倒塌的漩口中学教学楼A为原型,基于ABAQUS软件建立了有限元模型,对结构底层各柱的剪力进行分析,发现由于填充墙的布置使得结构平面刚度分布不均,造成地震剪力在各榀框架之间分布不均匀。为了定量地考虑平面各轴线刚度分布对结构抗震性能的影响,设计了4个沿轴线各榀填充墙框架不同刚度分布的结构模型,通过IDA(增量动力分析)分析对比评估4个模型的抗地震倒塌能力。结果表明:平面刚度均匀分布的结构模型倒塌概率最低,具有良好的地震韧性;当某轴线的刚度高于平面各轴线平均刚度的30%时,结构的倒塌概率大幅提高,抗倒塌安全储备不足,建议在设计中平面各轴线的刚度不应超过此限值。

基于XGBoost模型集成学习的RC框架结构地震响应预测方法

为实现钢筋混凝土(RC)框架结构地震响应的快速预测,提出了基于集成学习的RC框架结构地震响应预测方法。设计低层、多层和小高层共3个RC框架结构作为研究算例,根据条件均值谱(CMS)选取地震动记录,通过弹塑性时程分析搭建样本数据库,以地震动强度信息和结构信息为输入预测结构响应,同时对模型进行特征重要性分析。研究结果表明,建立的XGBoost模型相比梯度提升回归树(GBRT)模型具有更好的泛化性能,特征参数中平均谱加速度(AvgS_(a))的相对重要性最大,提出的方法为快速预测RC框架结构地震响应提供了借鉴,具有较高的应用价值。

RC框架结构基本自振周期个体间不确定性量化

钢筋混凝土(RC)框架结构是城市区域地震风险评估重要对象,其基本自振周期存在明显个体间变异性,如相同高度周期不同。通常采用的确定性结构高度-周期经验公式主要面向新结构设计,未能考虑既有RC建筑物周期的个体间变异性,影响区域地震风险评估的准确性,因此需要合理量化。该研究通过大量文献检索,收集了不同地区的641栋RC框架结构实测长轴、短轴方向基本周期以及高度、结构形式等信息,开展了严格的数据库清洗,并采用物理准则-数据驱动相结合的方式,建立了高度相依基本周期随机函数模型描述个体间变异性。与经典统计回归基本周期随机模型相比,新模型可以更好地反映结构间基本周期的物理机制差异以及观测数据的联合概率特性,便于在区域地震风险评估中应用。

填充墙分布对RC框架结构抗连续倒塌承载力的影响

为研究填充墙分布对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构抗连续倒塌承载力的影响,基于ABAQUS软件建立了RC填充墙框架结构抗连续倒塌的整体式有限元模型,并与已有的试验研究结果进行对比,验证了建模方法和本构关系选取的合理性。在此基础上,对比分析了不同填充墙数量及分布形式下RC框架结构抗连续倒塌的全过程荷载-位移关系、节点水平位移与中柱竖向位移关系、塑性铰分布和峰值承载力。结果表明:位于失效柱跨的填充墙可显著提高框架结构的抗连续倒塌承载力;填充墙分布会改变框架结构塑性铰的位置,塑性铰分布越不均匀,结构的抗倒塌性能越弱;建筑设计中应避免填充墙水平不对称分布及填充墙仅在楼层两端分布的情况。

附设黏滞阻尼器的RC框架结构抗震韧性评估

为研究黏滞阻尼器对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构抗震韧性影响,基于增量动力时程分析方法,对附设黏滞阻尼器的RC框架结构开展抗震韧性能力评估。结合FEMA P-58以及我国抗震韧性评价标准,将主要受损构件的修复费用、修复时间曲线以及易损性信息按实际情况进行相应修正,并对无控结构和有控结构的修复费用、修复时间和人员伤亡等主要抗震韧性指标进行对比分析,明确了黏滞阻尼器对RC框架结构抗震韧性的影响。研究表明,在RC框架结构中适当设置黏滞阻尼器不仅能够减小结构地震响应、降低结构破坏概率,还能有效提升结构抗震韧性。

基于氯盐最不利侵蚀下锈蚀RC框架结构时变地震易损性研究

基于一维Fick第二定律,采用Dura Crete规范中钢筋锈蚀初始时刻的概率预测模型,并基于概率统计的钢筋直径预测模型,计算不同龄期下RC结构中钢筋的锈蚀深度。基于修正斜压场理论并以锈蚀深度为单变量,对不同龄期下受压区锈胀开裂混凝土峰值应力进行计算;根据锈蚀深度对钢筋本构和Mander约束混凝土本构模型中相关参数进行了修正。于地震易损性模型中引入时间参数,建立含时间参数的RC结构地震易损性模型。最后,基于上述材料力学性能退化模型,采用基于力的纤维塑性铰模型,建立三层RC平面框架结构数值模型,并结合本文所提出的时变地震易损性模型,给出了三层平面RC框架0、5、10和15年龄期的易损性曲线和曲面。所提研究方法可用于既有RC框架结构生命周期内的抗震性能及损失预测分析。

不同倒塌判定准则对评价RC框架结构抗倒塌能力的影响

合理评价建筑结构抗倒塌能力是综合评价结构抗震性能和进行抗倒塌设计的前提与基础。由于模拟结构倒塌过程的复杂性,通常是以间接的方式(倒塌判定准则)判断结构是否发生倒塌。倒塌判定准则的重要性不言而喻。根据试验与数值分析相结合的手段,分析4种常用的倒塌判定准则判断结构倒塌的合理性;基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量分析各倒塌判定准则对确定RC框架结构抗倒塌能力的影响,并根据分析结果提出有关建议。

砌体填充墙RC框架结构平面内抗震性能有限元模拟

砌体填充墙RC框架结构是我国建筑结构中普遍采用的结构形式,历次地震震害表明填充墙的刚度效应和约束效应改变了主体结构的传力机理,导致整体结构的严重破坏。为了分析其砌体填充墙RC框架侧向承载力和刚度,研究砌体填充墙与RC框架之间的相互协同工作机理和砌体填充墙的开裂模式以及砂浆层的滑移,该文利用三维实体单元和基于表面的粘性接触面模型和摩擦原理,建立一种能够较好地模拟其平面内抗震性能的分离式有限元模型。对一个已有试验分别建立普通有限元模型和分离式有限元模型,二者的分析结果与试验结果的对比表明,分离式有限元模拟方法可以更加准确地预测砌体填充墙RC框架结构的侧向承载力和刚度,并且可以有效地模拟出砌体填充墙的开裂模式,通过塑性应变可以判断出RC构件的失效。

基于共旋坐标和力插值纤维单元的RC框架结构连续倒塌构造方法

悬链机制会使钢筋混凝土框架结构产生有助于抵抗连续倒塌的附加承载能力,对结构抗连续倒塌能力至关重要。悬链机制处于几何大变形和材料非线性下降段的状态下,需要同时考虑材料非线性和几何非线性,因此对数值分析模型提出了更高的要求。为了解决基于力插值的纤维单元同时处理材料非线性和几何非线性的问题,该文采用基于共旋坐标法,提出了一种基于共旋坐标法的力插值纤维单元。该单元在形成中把变形体和刚体分开,局部坐标系的变形体内采用纤维划分考虑材料非线性,然后加上刚体位移,从局部坐标系到整体坐标系的转换中采用共旋坐标法以考虑几何非线性,给出了二维单元形成原理及非线性求解过程。实例分析结果表明基于共旋坐标法的力插值纤维单元能够较准确的模拟RC框架结构连续倒塌,梁机制阶段主要是材料非线性起控制作用,悬链线机制阶段主要是几何非线性起控制作用。

汶川地震典型RC框架结构抗倒塌加固效果分析

以汶川地震震中附近的一栋典型RC框架结构为背景,分别采用普通支撑、防屈曲支撑(BRB)和粘滞阻尼器支撑3种加固方案来提高其抗震能力,并采用基于动力增量分析(IDA)的地震倒塌易损性分析方法,对各种加固方案的抗倒塌能力及其影响参数进行了分析。结果表明:以结构抗倒塌能力为目标,粘滞阻尼器支撑加固方案的效果优于BRB加固方案,而BRB方案的加固效果要优于普通支撑加固方案;相同参数情况下,A型支撑布置方案的加固效果优于X型支撑加固。

设计因素对RC框架结构地震易损性的影响

考虑到结构抵抗地震作用的机制为结构和地震动的不确定性与非线性相互耦合的过程,采用增量动力分析(IDA)考虑地震动的不确定性,选取16条地震动记录,基于OpenSEES的有限元建模理论对13榀平面RC框架结构进行基于IDA方法的地震易损性分析,分别讨论轴压比、高宽比、混凝土强度以及纵筋强度等结构参数对RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:柱轴压比对结构抗震性能的影响显著,而高宽比对结构抗震性能的影响不明显;在保证柱轴压比相近的前提下,提高柱混凝土强度能够提升结构的抗震性能;相同地震作用下梁柱配置纵筋强度较高的框架结构达到立即使用(IO)状态和生命安全(LS)状态的概率较配置纵筋强度较低的大,配置纵筋强度较高的框架结构较配置纵筋强度较低的表现出更好的抗倒塌能力。

基于FEMA P-58的RC框架结构抗震及减隔震性能评估

该文采用FEMA P-58理论进行RC框架结构抗震及减隔震性能评估。设计了一栋典型多层RC框架结构,并在此基础上添加屈曲约束支撑以及隔震支座形成BRB-框架结构与隔震框架结构,采用OpenSees软件建立了3个结构的有限元模型,选取合适的地震动记录并调幅,对三个结构进行了非线性结构响应分析。针对多遇地震、基本地震、罕遇地震、极罕遇地震4个地震动强度,使用FEMA P-58理论中基于强度的方法,对三个结构在四个地震强度下进行性能评估,并针对各性能指标的评估结果进行对比分析。地震损失评估结果显示,采用隔震框架结构与BRB-框架结构可以有效降低建筑物在地震作用下的维修成本与维修时间。与普通框架相比,在罕遇地震作用下隔震结构的维修成本与维修时间可降低65%与58%,BRB-支撑框架结构可降低47%与34%。

RC框架结构梁板柱空间协同工作效应非线性仿真分析

针对RC框架结构梁板柱空间协同工作效应的非线性仿真分析问题,提出了建立在三维实体退化虚拟层合单元理论基础上同时考虑结构双重非线性的空间分析计算方法;先利用该方法及其程序对一RC空间框架单柱失效倒塌试验含其梁板柱空间协同工作效应进行了全过程分析,所得结果与试验实测吻合良好。据此,再以一典型的两层钢筋混凝土框架结构为例,给出了考虑梁板柱协同工作的结构空间效应和空间破坏形态的计算分析结果。分析研究表明,为考虑梁板柱空间协同工作效应的RC框架结构非线性仿真分析提供了一种合理有效的途径,计算方法具有很好的适用性。

最不利主余震序列型地震动作用下RC框架结构易损性研究

余震的发生会造成结构的累积损伤,不同类型的主余震序列地震动对结构的影响有所差异。鉴于此,以主震卓越周期小于或接近余震卓越周期为基本原则,确定了最不利主余震序列地震动。选择4层RC框架结构为研究对象,在增量动力分析的基础上,定义了4个性能水平,以此来研究该结构的易损性。依据破坏状态概率和震害指数,得到7度多遇、7度设防和7度罕遇地震的易损性指数。研究结果表明:依据我国规范设计的RC框架结构的4个性能水平的量化指标限值依次为1/495、1/263、1/108和1/45,余震的出现会加剧结构的破坏状态。当以易损性指数作为评价指标时,可认为该结构能够满足小震不坏、中震可修和大震不倒的抗震设防目标。

多遇地震下填充墙侧向刚度对RC框架结构抗震性能的影响

目前,我国RC框架结构抗震设计通常采用纯框架模型:将填充墙作为非结构构件,不考虑其抗侧力作用仅将墙体重量当作外荷载加到计算模型上,通过减小结构自振周期考虑填充墙对结构整体刚度增大作用。然而,多遇地震下填充墙具有一定的抗侧刚度,在其影响下纯框架计算模型是否合理有待商榷。针对该问题,建立考虑填充墙布置的RC框架结构计算模型,并进行线性动力时程分析。对计算结果进行分析表明:当填充墙均匀布置时,从框架部分承担水平地震作用力方面考虑纯框架模型是合理的,而从框架柱轴压力方面考虑又是不合理的;当填充墙不均匀布置时,结构抗震性能的各个指标均有很大的不同,纯框架模型是不合理的。