基于加速度-应变联动测试系统的多层建筑破坏机理与构件行为研究

传统方法在建筑上安装加速度传感器来对结构进行强震观测,但该方法无法获得地震作用下各构件的真实地震响应,因此研发了一种加速度-应变联动测试系统。地震发生时,该系统使用强震仪触发采集,布置在构件上的应变片也将同步记录应变数据。将该系统布置在两所外廊式教学楼上对其进行地震监测,结果显示:新型加速度-应变联动测试系统能同时记录地震发生时的加速度响应和构件上应变响应,可弥补现有强震观测设备在监测结构构件地震响应方面的不足。此外,在小震作用下,填充墙的约束作用将导致底层被约束柱承担的地震剪力是裸露柱的数倍,当柱的两侧布置窗间墙时,这种内力凝聚现象将更显著。这种剪力的不均匀分布在进行结构抗震设计时常被忽略,被约束柱的抗震需求被严重低估,这将导致结构在地震作用下更易发生严重破坏,甚至倒塌。

多层建筑结构地震破坏倒塌机理新认识

以框架结构和砌体结构为主要结构体系的多层建筑数量多,分布区域广。然而,在历次地震中,多层建筑破坏最严重,倒塌数量最多。震害调查发现,框架结构梁端塑性铰基本无法形成,强柱弱梁难以实现。其中部分底层空旷的结构形成了层屈服破坏机制,大多数结构则因填充墙的组合效应出现了竖向构件的脆性破坏。通过对典型多层建筑震害现象的剖析,发现各轴构件刚度和承载力不均匀是结构破坏的主要原因,分配内力大的构件因变形能力小,超过极限承载力时率先破坏,成为结构破坏和倒塌的触发点。由此提出了结构破坏和倒塌的“变形饱和”假说。选取典型的特征构件,设计了无填充墙的框架、带后砌填充墙的框架和带先砌填充墙的框架3种实验模型,通过对极限承载力和极限位移的分析,验证了多层建筑结构“变形饱和”破坏倒塌机理。

城乡房屋建筑地震风险调查实用方法

地震风险调查是我国现阶段社会发展的迫切需求,然而目前还缺少简便实用的调查方法。历史地震震害是最好的老师,作者多年专注于汶川地震研究。基于震害类比、实验验证和理论分析,总结提炼出工程结构抗震能力“散、脆、偏、单”评估法,深入分析了权重最高的“偏”的物理机制,编制了便于实际操作的风险调查表。研究结果可供城乡地震风险调查和结构抗震设计参考。

无黏结预应力混凝土桥墩地震损伤破坏的有限元模拟分析

桥墩中配制竖向无黏结预应力筋是实现其地震损伤控制的有效手段,为研究采用ANSYS软件的无黏结预应力筋混凝土桥墩地震损伤破坏分析方法,基于4个桥墩的拟静力试验结果,建立其滞回性能的有限元分析模型,将模拟得到的桥墩混凝土开裂破坏情况、滞回曲线、骨架曲线、残余位移、刚度、预应力筋应力等与试验结果进行了对比。结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好,基于ANSYS软件可以很好的模拟此类桥墩的地震损伤破坏情况。

外置耗能角钢的摇摆-自复位桥梁双柱墩地震易损性分析

为评估设置耗能角钢的摇摆-自复位桥梁双柱墩的抗震能力,本文建立该结构的有限元分析模型,分别定义和量化双柱墩不同损伤状态和损伤指标。本文从太平洋地震工程研究中心选取16条近断层地震动,基于增量动力分析,得到该结构的地震响应。基于最小二乘法,对得到的增量动力分析曲线进行对数回归分析,计算结构不同损伤状态的超越概率及易损性曲线。研究表明:当地面峰值加速度为0.1 g时,外置耗能角钢与耗能钢筋屈服的超越概率分别为34%和22%;当峰值加速度为0.4 g时,外置耗能角钢与耗能钢筋失效的超越概率分别为6%和11%,而预应力筋未屈服;当峰值加速度为1.0 g时,外置耗能角钢和耗能钢筋失效的概率分别达到85%和91%,桥墩发生倒塌的概率为46%。

泸定6.8级地震典型震害调查与分析

对四川泸定6.8级地震极震区中磨西镇和得妥镇的建筑物进行震害调查与分析,发现具有“散、脆、偏”特性的建筑物破坏严重,而具备完好抗震构造措施的砌体结构、结构布置具备“匀”思想的建筑物震害较轻。基于“变形饱和”建筑物致灾机理和泸定地震震害调查结果,将建筑物常见的结构布置划分为5种典型形式:全硬脆轴线结构、全弱延轴线结构、全弱脆轴线结构、普通结构和具有“偏中带匀”特点的硬脆与弱延混搭结构,分析每种形式对应的震害表现及其内在机理。结果表明:全硬脆轴线结构、全弱延轴线结构和具有“偏中带匀”特点的硬脆与弱延混搭结构因未到达“变形饱和点”,震害表现极轻,几乎无可见裂缝,而其他2种结构布置形式的建筑均出现破坏,甚至倒塌。最后,结合“变形饱和”致灾机理对房屋抗震设计理念提出“匀”的建议。

采用过滤白噪声模型的地震动时域降维表达

随机地震动模拟一般有频域和时域两大类方法。本文基于单重过滤白噪声时域模型,建议了平稳地震动过程和全非平稳地震动过程模拟的时域表达。本质上,时域表达可视为一系列标准正交随机变量所调制的确定性函数的线性叠加,而正交随机变量集则可定义为随机正交函数形式来实现高效降维。为此,通过引入三类随机正交函数,即非高斯型的Legendre正交多项式、Hartley正交基和高斯型的Hartley正交基,均可实现仅用一个基本随机变量在时域模型上精细表达地震动加速度过程。平稳地震动过程的数值算例表明了本文方法的有效性,且优于Monte Carlo方法;全非平稳地震动的算例分析则表明了本文方法的工程适用性。

基于随机相位差谱的全非平稳地震动建模

为合理表征地震动过程的全非平稳性和随机性,发展了一类基于相位差谱和功率谱结合的随机地震动模型。首先,阐明了相位差与地震动全非平稳性的关系,并利用实测强震记录,进行相位差谱模型参数的识别及统计分析。其次,采用确定性和随机性参数的功率谱模型,分别获得确定性参数的取值以及随机性参数的归一化最优概率分布。最后,通过选取基本随机参数的代表性点集,获得相应的地震动加速度代表性时程集合。研究结果表明:仅需2个或4个基本随机变量即可模拟具有自然变异性及丰富概率信息的地震动加速度过程,且模拟所得的加速度反应谱与实测强震记录拟合良好,为应用概率密度演化理论进行复杂工程结构的随机地震反应及抗震可靠性精细化分析奠定基础。

泸定地震典型底商多层建筑震害与机理分析

为了探讨2022年9月5日四川省泸定县6.8级地震震中大量底商多层建筑严重破坏或倒塌。选取代表正反两方面的5栋有代表性的建筑,通过理论基础和模型实验进行震害机理剖析。结果表明:震害主要集中在底层,而底层由混凝土柱和砌体墙混搭而成。横向不开洞的砌体墙约束了结构横向及扭转变形,楼板只沿纵向平动,各构件分担的地震剪力与其纵向抗侧刚度成比例。刚度大的硬脆构件将出现“内力凝聚”,进而达到“变形饱和”,以脆性破坏的方式丧失承重能力,此时上部各层的重力转由横墙承担。如果此时地震还未停止,横墙因在出平面方向失去“扶壁”作用,结构整体将沿纵向触地倒塌。相反,底层的构造如果避免刚度的过大差异,就可显著提升抗震能力。

川滇甘陕地区地震的加速度峰值比和竖向反应谱的统计分析

本文以国内川滇甘陕地区263个有详细场地资料的强震台站获得的802组地震动加速度记录为基础,研究了该地区加速度峰值比的总体分布特征,分别探讨了震中距和震级对加速度峰值比的影响特征,按照水平反应谱的标定方法对竖向反应谱进行标定并对其进行了统计分析。统计分析结果显示:竖向与水平向加速度峰值比的概率分布总体服从极值Ⅱ型分布,加速度峰值比均值为0.6,加速度峰值比≤0.65的累积频率为64%;Ⅱ类场地的加速度峰值比随震中距增大而减小;大震近场的加速度峰值比基本上远高于0.65;最后本文给出了不同场地类别下竖向反应谱特征参数,并与水平向反应谱特征参数进行了比较。

以开放实验搭建基础力学与实践的纽带——以薄壁圆筒应力分析为例

以材料力学中典型的薄壁圆筒应力分析为例,设计了趣味开放实验。基于材料力学和弹性力学基础知识,将该例题结合易拉罐和储气罐等类似结构阐述薄壁圆筒的应力分布,通过理论分析、拉压实验和电测法实验探究了薄壁圆筒的内压和强度,实验结果与理论分析吻合较好。开放实验达成度表明,本项实验具有一定的趣味性和专业性,学生态度积极,综合应用能力有所提高,但也暴露了一些问题,为后续进一步改进开放实验举措提供了有力参考。

基于强震记录的多维地震动降维建模

地震动具有多维性,如何合理建立多维地震动是复杂工程结构精细化抗震分析的基础。首先,以1 766组实测多维强震记录为依据,建议了一类多维地震动的迟滞相干函数模型;其次,研究地震动平动分量在幅值、持时及频谱之间的关系,建立了多维地震动的演变功率谱模型;最后,基于本征正交分解的随机向量过程降维方法,实现了仅用两个基本随机变量即可有效模拟多维地震动过程。数值算例表明,降维方法生成的多维地震动代表性时程具有良好效率,且平动分量的相干性、反应谱以及幅值谱均与实测记录拟合一致,验证了多维地震动降维模型的精确性和工程适用性。同时,采用降维方法生成的多维地震动代表性时程具有赋得概率,并构成一个完备的概率集,可与概率密度演化理论相结合,进而为复杂工程结构抗震可靠性精细化评价提供有效途径。

硫酸钠相变及其对壁画危害的实验研究

膨胀盐类在工程上常造成较大破坏,莫高窟壁画盐害问题就是其中一种,因多年来一直没有透彻的认识,影响了病害的有效治理。通过总结前人成果并进行相关实验,指出硫酸钠结晶与非结晶相变引起体积膨胀是壁画盐害的最主要原因。含硫酸钠土层(以地仗层为代表)的松胀变化与温度和湿度两个因素有关。温度从高到低,硫酸钠结晶,体积膨胀,反之体缩;硫酸钠湿度从高到低,硫酸钠结晶,反之体缩。如果通过实验找到某个温度和湿度,使硫酸钠处于非结晶状态,然后保持温度和湿度恒定,就可以避免硫酸钠相变,对壁画的损害也将停止。研究结果可推广到受盐害影响的房屋、道路、机场等的损伤机理分析。

结构抗震设计中地震动参数选取的几个基本问题

以“小震”名义对设防烈度的折减与老规范用“结构系数”如何确定地震作用是抗震设计的重要环节。自1989版抗震设计规范引入分级超越概率后,同一设防烈度对应多值描述,给正确理解和应用带来困难。梳理了地震作用取值的发展沿革,展示了规范更新并未打破地震作用取值的连贯性,折减效果相当。作为案例应用,指出地震模拟实验中振动台对容纳其厂房的地震作用幅值上限是明确的,不存在超越概率问题。结合对实际震害的思考,指出抗震概念设计远比计算分析重要。

永泰公主墓壁画病害机理研究

古代壁画盐害问题多年来一直没有透彻的认识,影响了病害治理的“对症下药”。唐代永泰公主墓壁画处于黄土层的斜坡墓道两侧及墓室四周和顶棚,自发掘以来,某些部位壁画损害严重,主要表现为盐害。然而,环境中施害的盐可能有多种,到底是哪种盐以及通过什么机制造成盐害,这些关键问题为业内重点关注。通过总结前人成果并设计实施了有针对性的实验,指出硫酸钠结晶与非结晶相变引起体积胀缩是壁画盐害的最主要原因。含硫酸钠土层(以地仗层为代表)的松胀变化与温度和湿度两个因素有关。温度从高到低,硫酸钠结晶,体积膨胀,反之松弛;硫酸钠湿度从高到低,硫酸钠结晶,反之松弛。如果通过实验找到某个温度和湿度,使硫酸钠处于非结晶状态,然后保持温度和湿度恒定,就可以避免硫酸钠相变,对壁画的损害将停止。

变形饱和倒塌机理在泸定震害分析中的应用

结构地震倒塌机理是一个关键而又艰难的课题。通过震害分析和逻辑推论否定了目前支配世界各国抗震设计规范的“弱柱强梁”倒塌理论。基于震害调查、模型实验和理论分析,提出了替代“弱柱强梁”的“变形饱和”理论。对于常见的多层建筑,同一楼层中如果抗侧刚度差异很大的构件“混搭”,地震作用下,刚度大的构件将出现内力凝聚现象,即使侧移很小其分担的剪力也容易达到其承载力极限并发生脆性破坏,即“变形饱和”,从而触发结构整体倒塌。通过合理的结构布置,避免内力凝聚,使结构具有超强的抗震能力。基于变形饱和理论,对泸定地震中4栋典型结构的震害现象进行了详细分析和解释,既回答了震损建筑为什么破坏,也回答了样板建筑为什么不破坏,进而为设计具有超强抗震能力的建筑结构提供参考。相关方法还可用于韧性城乡建设中既有建筑的地震风险排查和评定。

川滇甘陕地区长周期地震动反应谱特征参数的研究

研究我国川滇甘陕地区Ⅱ类场地的长周期地震动反应谱特征参数以及主要因素对其的影响规律。通过对反应谱的分析,本文基于Newmark-Hall模型计算的加速度谱的拐点周期,分析两个拐点周期随震中距和震级的变化规律以及两者之间的相关性。最后应用差分进化算法拟合出长周期的衰减指数。其结果表明:2个拐点周期随着震中距和震级的增大而增大;震中距和震级对于2个拐点周期的相关性基本处于偏弱的水平,表明这两个拐点周期随着震级和震中距的变化而变化,从而不适合采用单一的震级和震中距来确定设计谱的拐点周期;特征周期T_(g)和第二下降段特征周期T_(D)的线性相关性较弱,现有的抗震规范中以特征周期来确定第二下降段特征周期的线性模型并不适合于长周期反应谱。根据该地区Ⅱ类场地的统计平均值,本文给出了2个拐点周期的建议值。最后由差分进化算法拟合平均谱给出长周期地震动反应谱的衰减指数的建议值,以供抗震规范修订时做参考。

漾濞6.4级地震外廊式教学楼震害调查与分析

外廊式教学楼是中小学校典型的建筑形式。汶川地震后,外廊式教学楼震害引起大量研究人员重视。2021年5月21日21时48分,云南大理州漾濞县发生6.4级地震,本文作者详细调查了位于漾濞县的4所典型框架结构外廊式教学楼,以震害较为严重的漾濞一中和花椒园小学为例,分析了结构各部位发生破坏的原因。以震害现象为佐证,得出以下结论:由于横墙的约束,楼板沿纵向平动,各轴构件的本构关系可在同一坐标系下进行对比分析,结构破坏取决于构件沿纵向的极限位移。并在此基础上,从新的角度探讨了多层建筑的抗震能力。

钢筋强度对钢筋混凝土框架柱破坏模式的影响

弯曲破坏、剪切破坏是钢筋混凝土柱的一种典型震害形式,为研究不同强度钢筋的钢筋混凝土(reinforce concrete,RC)框架柱抗震性能,进行了两组剪跨比为3,共12根柱的1/4缩尺平面框架拟静力试验。对其破坏形态,延性以及应变,抗剪、抗弯承载能力进行对比分析。结果表明:钢筋强度对柱的破坏模式有影响,配置高强度钢筋的框架柱以剪切破坏为主,延性较差,滞回曲线“捏拢现象”明显,呈纺锤形,属于脆性破坏;配置低强度钢筋的框架柱以弯曲破坏为主,表现出较好的延性特征和耗能性能,破坏前有明显的变形,且柱应变为另一试验的1/2。另外根据两组试验相关参数进行不同钢筋屈服强度、不同混凝土等级的抗弯及斜截面抗剪承载能力计算;引入钢筋与混凝土的匹配度系数α作为衡量柱破坏模式的参数:α<0.46时,柱会发生弯曲破坏;α>0.48时,柱发生剪切破坏。因此在RC框架柱的抗震设计中,所配置钢筋强度与混凝土强度的匹配度问题应引起重视。

泸定6.8级地震结构震害调查与分析

2022年9月5日,四川省泸定县发生6.8级地震,对当地建筑造成了严重的损坏。对极震区砌体结构、框架结构、底框架结构以及框架-砌体混杂式结构进行了详细调查,分析了破坏原因。结果表明:缺乏合理约束的砌体结构都发生了不同程度的破坏,圈梁和构造柱完善、刚度均衡的砌体结构基本完好。框架结构中填充墙的破坏较严重,填充墙和框架柱有显著的相互作用。混杂式结构抗侧刚度平面分布严重失衡,破坏严重,墙体平面分布对结构的破坏模式起决定性作用。