增量动力分析方法在高层建筑结构抗地震倒塌可靠性评估中的应用

随着城市化进程的加快,高层建筑已成为城市建设的普遍方式。为确保高层建筑的安全,应对建筑结构的抗地震倒塌能力加以评估。传统的评估方法仅从建筑结构的整体性加以考虑,从而造成评估结果存在一定的误差,无法对建筑物的抗地震倒塌能力进行精确评估。基于此,文章以增量动力分析法进行可靠性评估,首先,计算高层建筑结构的抗地震倒塌储备系数。其次,通过增量动力分析法对高层建筑结构的抗地震倒塌能力进行可靠性评估。最后,通过实验与仿真进行可信度分析、准确度分析以及评估时间消耗分析。实验分析结果表明,增量动力分析法的可靠性评估结果可信度极高,评估准确度较高,评估工作所消耗的时间较短,具有极高的实际应用价值。

半刚接钢框架内填实体RC墙结构的地震易损性能评估

为评估半刚接钢框架内填实体RC墙结构(PSRCW)的地震易损性能及倒塌储备能力,考虑层数和抗震设防烈度影响合理设计了4个PSRCW结构基准算例,采用Latin超立方抽样方法考虑型钢、混凝土、钢筋等材料力学性能及内填RC墙体厚度几何尺寸的随机性,拓展为4组共计160个PSRCW算例.通过合理选取40条汶川地区实测地震记录,与每组40个PSRCW结构样本随机组合,构成了4组40个地震-结构样本对,通过弹塑性时程分析方法确定了PSRCW结构在“弹性极限”“完全运行”“运行”“生命安全”“接近倒塌”“倒塌”性态下的地震易损性曲线,并进行了抗震性能评估,量化了PSRCW结构的倒塌储备能力.分析结果表明:PSRCW结构的倒塌安全储备系数在3.0~4.3之间,具有良好的抗地震倒塌能力.

隔层桁架式立体停车结构地震倒塌易损性分析

采用基于增量动力分析的易损性分析方法定量地评估了隔层桁架式立体停车结构的抗地震倒塌能力.分析了结构在地震作用下的倒塌过程、倒塌机理,对结构在单向和双向地震作用下的抗地震倒塌能力进行了对比,并比较了不同层数结构的抗倒塌能力及安全储备系数.结果表明,该类型结构具有良好的抗地震倒塌性能,底层是结构抗倒塌薄弱层;随结构层数的增加倒塌概率增大、抗震能力减弱,但抗倒塌安全储备系数并不是随结构层数的增加而不断减小.建议针对该类型立体停车结构的设计可以考虑突破现行建筑结构规范高宽比的限值.

成都市规划展览馆辅楼抗连续倒塌评估(Ⅱ)——基于IDA的弹塑性动力分析

成都市规划展览馆辅楼因建筑功能需要,具有大跨度、大悬挑、竖向抗侧力构件不连续、楼板局部不连续等结构特点。作为城市重要的大型公共建筑,需要评估其地震作用下的抗连续倒塌能力。首先,采用有限元软件Midas Gen建立有限元模型,并基于改进的IK骨架模型,模拟结构在地震作用下的非线性行为;其次,根据结构所在场地类型,选取20条地震动记录,并采用增量动力分析的方法对结构进行三向地震激励下的弹塑性动力分析,在此基础上,定义基于性能的结构倒塌判别准则,分别以结构最大层间位移角和梁端转角为结构损伤指标,根据增量动力分析结果对结构进行易损性分析;最后,根据结构整体的倒塌安全储备能力,评估结构的抗倒塌性能。研究结果表明:在7度罕遇地震作用下,结构发生侧向增量倒塌的概率为0.14%,发生竖向连续倒塌的概率为10.82%;在7度多遇地震和设防地震作用下,结构发生侧向增量倒塌和竖向连续倒塌的概率基本为0。同时,该结构的水平破坏倒塌安全储备系数为2.708,竖向破坏的倒塌安全储备系数为1.469。评估结果表明:该结构在地震作用下具有较好的抗连续倒塌性能。

基于推覆分析的结构倒塌安全储备系数

基于增量动力分析(英文简称IDA)的倒塌安全储备系数(英文简称CMR)计算是ATC-63报告建议的方法,该方法需要做大量的非线性时程分析,计算非常耗时且效率不高,不适于结构方案设计阶段针对倒塌安全储备能力的快速评估。该文提出了基于推覆静力分析的倒塌安全储备系数(CMR)的实用计算方法,该方法中以改进的Park-Ang损伤模型作为结构整体倒塌判别准则,倒塌性能点则是通过推覆分析得到的能力曲线,并结合由各个地震动的反应谱以及Nassar-Krawinkler塑性谱生成相应的塑性需求曲线来确定。该方法结合了ATC-63报告中计算思路和推覆分析的特点,考虑了所选地震动对倒塌性能点的差异性,计算效率大大提高,且计算结果偏于保守地合理,上述特点通过一8层钢筋混凝土框架结构的算例得以证明。

基于结构等效周期选择和谱匹配地震动记录对RC框架结构地震易损性分析的影响

选择合适的地震动记录和地震动强度指标是结构地震易损性分析的基础。首先,分别以加速度反应谱S_(a)(T_(1))值和S_(a)(T_(eq))值为强度指标选取两组地震动记录各20条,并运用谱匹配方法对其进行基于目标设计谱的匹配;其次,输入匹配前后4组地震动记录分别对一个5层和一个11层钢筋混凝土(RC)框架结构模型进行增量动力分析,进而分析谱匹配方法以及不同强度指标对最大层间位移角、结构地震易损性、最大残余层间位移角和抗倒塌储备系数的影响。分析结果表明:输入谱匹配后的两组地震动记录,结构地震易损性结果的离散性明显降低且各损伤状态下50%超越概率对应的谱加速度S_(a)(T_(1),5%)和S_(a)(T_(eq),5%)未发生明显偏差;随着结构损伤程度的增大,以S_(a)(T_(eq))为强度指标可以更有效地减小易损性分析结果的离散性;以抗倒塌储备系数为参考指标,S_(a)(T_(1),5%)作为强度指标进行地震动记录的选取有可能高估结构抗倒塌能力,应考虑以S_(a)(T_(eq),5%)为强度指标更优。

钢筋混凝土框架建筑造价管理研究

以造价管理系统为切入点,简要论述工程概况,并进行传统结构设计、防屈曲支撑框架建筑结构设计以及隔震支撑框架建筑结构设计,通过价格变化下的钢筋混凝土框架建筑设计方案分析,可以得到结果:采用防屈曲方案1与隔震12000时,钢筋混凝土框架建筑结构最稳定。总之,钢筋混凝土框架建筑造价与结构设计、市场价格因素相关,管理者在确保建筑结构安全性与稳定性的基础上,还应该考虑价格因素,合理设计建筑结构。在建筑工程造价管理工作中,管理者可充分借助造价管理系统功能,快速计算造价成本,助力施工企业经济发展。

建筑结构平面形状对结构抗倒塌能力的影响

按照现行我国规范的要求,设计了平面形状分别为矩形和L形的2组钢筋混凝土框架结构,变化的主要参数分别为矩形平面的长宽比、L形平面的外凸长度与相应投影方向总尺寸的比值。采用OpenSees建立了各组结构的三维有限元计算模型,参考FEMA P695提供的方法对结构进行增量动力分析,得出了各个结构的最大层间位移角-与第一自振周期谱加速度值关系曲线,进而计算了罕遇地震时的抗倒塌储备系数CMR和倒塌概率,研究了上述各设计变化参数对结构抗倒塌能力的影响规律,并对比L形平面结构设置抗震缝与不设置抗震缝抗倒塌储备系数的变化情况。结果表明:矩形平面结构随着平面长宽比的增加,结构的抗倒塌能力逐渐降低;随着L形平面凸出长度与相应投影方向总尺寸比值的增加,结构的抗倒塌能力先增加、后减小,但总体变化不显著;对于平面形状为L形的结构,不设抗震缝的平面不规则结构与设置抗震缝的平面规则结构相比,结构的抗倒塌能力变化不显著,因此,从抗倒塌能力的角度看,对于L形平面建议不需要设置抗震缝。

CFT框架-RC剪力墙结构基于一致倒塌风险的抗震设计研究

我国CFT框架-RC剪力墙结构通常按照双重抗侧力体系进行设计。与一般RC框架相比,在相同竖向承载力条件下的截面尺寸和抗弯刚度较小,按双重抗侧力体系设计将影响结构的经济性能和建筑功能。因此,文章根据我国规范设计了典型的CFT框架-RC剪力墙双重抗侧力体系结构模型,采用一致倒塌风险的抗震设计方法中对单重抗侧力体系设计的要求,设计了相应的CFT框架-RC剪力墙单重抗侧力体系结构模型,并对比分析了单重和双重抗侧力体系在不同水准地震作用下的结构响应和罕遇地震结构倒塌概率和抗地震倒塌安全储备。结果表明,与双重抗侧力体系相比,单重抗侧力体系结构的地震响应和大震倒塌概率相近,均满足“大震不倒”抗震要求,而单重抗侧力体系的结构抗地震倒塌安全储备较大,且用钢量较少。

RC框架结构地震倒塌风险近似评价方法的精度对比

增量动力分析方法（IDA）是目前评价RC框架结构抗地震倒塌能力最精确的方法，但是计算量大、耗时长，在工程实际中难于应用。现阶段已经提出了多种简化评价方法，可显著提高工作效率，便于工程人员应用，但是对其精度缺乏合理评价。本文介绍了三种常用的简化评估方法，基于静力推覆分析和塑性需求曲线方法；基于静力推覆分析并利用抗倒塌储备系数（CMR）与位移安全储备系数关系方法；基于抗倒塌能力谱法，用这三种方法计算了6个RC框架结构在罕遇地震下的CMR和倒塌率，并与其IDA计算结果进行对比，分析了三种简化评估方法的精度。结果表明三种简化计算方法中基于静力推覆分析和塑性需求曲线方法精度最高，基于静力推覆分析并利用抗倒塌储备系数（CMR）与位移安全储备系数关系方法和基于抗倒塌能力谱法计算更简单快捷。

基于CMR方法的钢框架二次设计研究

采用美国ATC委员会提出的CMR分析方法对大量钢框架模型的抗倒塌储备能力进行分析,通过比较发现梁柱线刚度比和压弯构件的设计应力比是影响钢框架抗倒塌储备系数CMR最主要的两个因素。并对这些模型进行pushover分析,发现合理的梁柱线刚度比能很好地改善结构的超强和延性,而柱强度应力比只对超强影响显著;总结了钢框架二次设计的过程,并通过实例来验证了此方法的可行性。

常规RC框架-剪力墙结构抗倒塌能力探讨

按照规范设计的建筑结构通常采用概念设计及构造措施满足结构安全,无法对结构的抗倒塌安全储备进行定量的分析。通过对不同抗震等级及场地类别的框架-剪力墙结构进行动力时程分析,得到按照规范设计并贴近规范限值的结构具有的不同的抗倒塌安全储备系数:7度及7. 5度的结构有较高的抗倒塌安全储备系数,该安全储备系数处于1. 2～1. 4之间,8度区的抗倒塌安全储备系数较小。该系数对于按照规范设计的框架-剪力墙结构抗大震的能力储备给出了定量的结果,可以有效把握结构的抗倒塌性能,为实际工程设计提供安全度参考。

考虑年均倒塌概率的结构倒塌安全储备可接受值

推导出结构年均倒塌概率与结构倒塌安全储备之间的关系,并提出依据年均倒塌概率可接受值计算可接受倒塌安全储备系数CMR的方法。利用全概率理论,将倒塌易损性与地震危险性进行耦合,得到结构年均倒塌概率,采用中值倒塌地震强度建立年均倒塌概率与结构倒塌安全储备系数CMR的关系。结合大震倒塌概率可接受值确定年均倒塌概率可接受值,进而计算结构可接受倒塌安全储备系数CMR。结合我国抗震规范规定的加速度反应谱建立CMR谱,给出了乙类、丙类结构在不同设防烈度下的可接受年均倒塌概率值以及可接受CMR值。研究表明:结构可接受年均倒塌风险越低,结构的倒塌安全储备可接受值越大,并呈现幂函数的数学关系,而可接受年均倒塌概率又与大震强度、地震危险性以及总倒塌不确定性有关。依据我国抗震设计规范背景建议的特定可接受年均倒塌概率下的可接受CMR谱,可以反映不同周期区间结构随总倒塌不确定性变化的规律,可用于结构倒塌安全储备的快速评估。基于CECS392建议的可接受大震倒塌概率计算得到乙类建筑的可接受年均倒塌概率远小于丙类建筑,均随着设防烈度的提高而下降,相应的CMR可接受值则呈现增加趋势。

考虑储备能力的中心支撑钢框架结构抗倒塌性能研究

数次罕遇地震以及极罕遇地震震害经验表明,中心支撑钢框架结构某些支撑失效退出工作后结构仍能维持不倒。这种在主要抗侧力体系遭受严重破坏后发挥作用,防止剩余结构倒塌的能力被称为结构的储备能力。为了定量评估储备能力对中心支撑钢框架结构抗倒塌性能的贡献,按7度设防烈度设计了一组不同层数的中心支撑钢框架结构,分别建立未考虑与考虑储备能力的两种有限元模型;依据FEMA P695建议,采用增量动力非线性时程分析方法,对两种模型进行易损性分析。分析结果表明:储备能力可以有效降低中心支撑钢框架结构支撑失效后剩余结构的倒塌概率,在罕遇地震与极罕遇地震下,倒塌概率分别下降9%与24%;考虑储备能力后,中心支撑钢框架结构的倒塌安全储备系数在罕遇地震与极罕遇地震下提升幅度均超过25%;对于中低烈度区,中心支撑钢框架结构的储备能力可以保证结构在某层支撑失效后,仍能满足“大震不倒”的设防目标。

外廊式单跨框架结构加柱改造后基于IDA分析的抗震性能研究

研发单跨悬挑外廊改为双跨的加固方法,以静力弹塑性分析所优选的截面柱,在外廊式单跨框架结构挑梁处增加柱子,基于增量动力分析(IDA)方法对原结构和加柱结构从损伤和倒塌储备系数(CMR)两方面进行抗震分析,结果表明在遭遇相同地震动作用后,加柱结构的损伤程度及抗倒塌能力均优于原结构。

考虑填充墙影响的防屈曲支撑-钢框架抗震性能分析

按照7度设防标准设计一20层平面钢框架,采用层刚度比方法布置防屈曲支撑,通过计算分析选出合理的刚度比例。采用Wael三撑杆模型、改进的Atkinson和Yan本构关系曲线模拟填充墙,并建立含填充墙的20层防屈曲支撑-钢框架模型。采用增量动力分析(IDA)方法并结合ATC委员会的提出的倒塌储备系数(CMR)评价方法,对防屈曲支撑-钢框架和含有填充墙的防屈曲支撑-钢框架进行了抗震性能对比研究。结果表明,填充墙可以显著提高结构的抗侧刚度,并能增强结构在罕遇地震下的抗倒塌能力,通过合理的布置防屈曲支撑可使7度设防钢框架基本实现8度"大震不倒"的设防目标,同时表明CMR抗震性能评估方法在长周期结构中的应用需进一步研究。

不同CMR的RC框架结构地震损失分析

为研究结构抗倒塌储备能力对减小结构地震损失的作用,提出基于结构抗倒塌能力储备系数(CMR)的钢筋混凝土框架结构地震损失分析方法。利用IDA方法,确定结构在连续地震强度下的易损性,根据结构的破坏概率及易损性曲线计算地震经济损失。将结构抗倒塌能力指标CMR与结构在给定地震强度下的经济损失相结合,建立基于CMR的地震损失模型。对脆性及延性结构的倒塌特性和地震损失进行了系统地对比分析。通过四个RC框架结构分析,结果表明:地震损失评估与结构的CMR具有密切关系。在给定地震强度作用下,结构地震损失随CMR的增大而减小;CMR较小的结构随地震强度的增大损失增加较快,而CMR较大的结构则随地震强度的增大损失增加相对较平缓。所提出基于结构CMR地震损失评估思想可以作为量化地震损失评估较有前景的改进方法。

高耸钢筋混凝土烟囱抗地震倒塌能力分析

基于增量动力分析法,对高耸钢筋混凝土烟囱结构的抗倒塌性能进行了概率性分析,得到了结构的侧向倒塌地震易损性曲线,定量评价了烟囱结构的抗倒塌能力和抗倒塌安全储备。为了探讨土-结构相互作用对烟囱结构倒塌能力的影响,提出了适用于烟囱结构的土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型。研究表明:在7度罕遇地震(PGA=0.22 g)下,该烟囱结构发生倒塌的概率几乎为0%,能够满足规范规定的"大震不倒"的要求。不考虑土-结构相互作用与考虑土-结构相互作用的结构平均抗倒塌能力分别为PGA=2.16 g和PGA=1.34 g,相应的结构倒塌安全储备系数分别为9.82和6.09。两种情况下,虽然烟囱结构的抗倒塌安全储备都比较大,但是土-结构相互作用显著削弱了结构的抗倒塌能力,其降低幅度达38%,因此,对于高耸钢筋混凝土烟囱,在进行抗地震倒塌分析时必须考虑土-结构相互作用。该文的研究结果可为烟囱抗震设计和地震风险评估提供理论依据。