钢支撑-钢筋混凝土掉层框架结构抗震性能试验研究

为改善坡地钢筋混凝土(RC)掉层框架结构抗侧刚度分布的不均匀性,设计了一栋在上接地层设置钢支撑的RC掉层框架结构,按1/4比例提取其顺坡向中榀框架下部5层子结构为试验对象,开展钢支撑-RC掉层框架拟静力试验,观测试件的破坏过程,并对比RC掉层框架试验所得试件的破坏形态,分析试件滞回性能、延性和刚度退化等抗震性能指标。结果表明:试件的最终破坏是以第4层柱底混凝土压溃,梁端混凝土剥落、底部钢筋断裂,顶层柱顶混凝土剥落为标志。与RC掉层框架试验结果相比,钢支撑-RC掉层框架试件上接地柱的破坏明显减轻,柱端破坏分布也更为均匀,避免了掉层框架结构“半层破坏模式”的出现,改善了结构的耗能和抗地震倒塌能力。但试件上接地层相邻上一层的变形和破坏程度较大,应对该楼层的柱端进行适当的抗震加强;设置钢支撑后,试件的滞回曲线较为饱满,并具有良好的延性(正、负向加载的位移延性系数分别可达5.13、5.69),正负向加载的刚度退化曲线也趋于对称。

布置金属阻尼器的RC掉层框架结构减震性能分析

掉层框架结构由于上接地端的强约束作用,与一般框架结构相比抗震性能更差,上接地柱破坏严重。为研究布置金属阻尼器对改善掉层框架结构抗震性能的影响,对掉2层3跨的RC掉层框架结构振动台试验进行数值模拟验证模型的准确性;按现行规范设计了6个不同形式的RC掉层框架结构算例,基于减震性能曲线法确定RC掉层框架结构中金属阻尼器的布置方式,对比分析结构的动力响应评价其减震效果。结果表明:以减震性能曲线法布置金属阻尼器能有效提高RC掉层框架结构的抗震性能,能达到预期的性能目标;布置金属阻尼器的掉层结构上接地端层间位移角和层间扭转角不再发生突变,楼层各项指标分布更加均匀;罕遇地震作用下,金属阻尼器进入屈服阶段后,平均消耗地震动能量达60%,减震效果显著;金属阻尼器可有效降低掉层结构的梁柱塑性铰产生数量并延缓其发展速率,延缓结构的刚度退化。

基于构件性能的掉层框架结构抗倒塌能力评估方法研究

归纳3种典型的基于构件性能的结构倒塌评判准则,基于结构动力失稳倒塌判定准则,定量分析不同倒塌判定准则的合理性及对确定掉层框架结构抗倒塌能力的影响。研究结果表明:掉层框架结构具有损伤集中于局部构件的特点,基于Park-Ang损伤模型的加权平均法有低估掉层结构的抗倒塌能力的趋势,不宜直接作为掉层结构倒塌判定准则;掉层框架结构存在发生柱剪切失效的风险,对掉层结构进行倒塌易损性分析时,可采用基于割集理论的失效模式方法偏保守地确定结构的抗倒塌能力。

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。

主余震作用下山地掉层框架结构的损伤评估

参考我国现行规范设计了3个不同掉层数与掉跨数的山地掉层框架结构(掉两层三跨结构、掉两层两跨结构、掉三层两跨结构)以及1个普通平地框架结构,采用增量动力分析方法(incremental dynamic analysis,IDA),以Park-Ang损伤指数作为结构响应(damage measures,DM)参数,以(peak ground acceleration,PGA)作为地震动强度(intensity measures,IM)参数,考虑余震的附加影响,从构件附加损伤指数、层损伤指数、整体损伤指数方面对掉层框架结构进行了损伤评估。研究结果表明,主震是引起结构损伤最重要的因素。掉层结构上接地层的损伤最严重,随着PGA的增大,掉层结构各构件的附加损伤指数增大,上接地柱的附加损伤最大。山地掉层结构的整体损伤大于普通平地结构的整体损伤;在主震幅值相同时,PGA越大,余震对结构的附加损伤也越大,且余震对掉层结构的附加损伤程度较平地结构更大,山地结构和普通平地结构的损伤指数比按C2K3、C3K2、C2K2、ORD依次减小。

山地典型掉层框架结构抗连续倒塌性能分析

山地结构的受力性能与普通结构有显著差别。基于LS-DYNA的截面纤维模型,通过与一榀4跨3层平面框架在移除中柱后的拟静力倒塌试验结果进行对比,验证了纤维模型的合理性。采用拆除构件法中的非线性动力法对普通框架结构和掉层层数、掉层跨数各不相同的掉层框架结构共6个算例进行了抗连续倒塌性能分析,研究普通框架结构与掉层框架结构抗连续倒塌性能的差异以及掉层层数、掉层跨数对掉层框架结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明:悬链线效应对于RC框架结构抗连续倒塌性能有显著的提升作用;掉层框架结构上、下接地层的抗连续倒塌性能差异大;下接地层区域,掉层框架结构抗连续倒塌性能低于普通框架结构,上接地层区域则相反;随掉层层数增加,掉层框架结构抗连续倒塌性能减弱;随掉层跨数增加,掉层框架结构抗连续倒塌性能增强。

配筋加强的掉层框架结构振动台试验研究

为研究《山地建筑结构设计规程(征求意见稿)》提出的配筋加强措施对掉层框架结构损伤及破坏机制的影响,分别依据《建筑抗震设计规范》(GB 50010-2010)和《山地建筑结构设计规程(征求意见稿)》设计和制作了一个6层掉层框架结构1/8缩尺模型,对比分析其振动台试验的试验现象及动力响应。结果表明:模型的加速度响应与加速度频谱和结构自身关系密切;配筋加强后模型承载力有所提高,配筋加强对结构变形的影响随地震强度的增加逐渐显著,最终变形减小,且变形形状不再明显外凹;结构掉层部分的损伤大大减轻,上接地柱的破坏程度有所改善,最大层间位移角的位置向上转移,且上部楼层的损伤程度增加;配筋加强后结构无显著薄弱层存在,表现出更好的整体性。

MPA法和Pushover法在掉层框架结构中的适用性对比分析

结合已有的规则结构分析结果,设置不同的掉层跨数、掉层数量的掉层结构,以逐步增量弹塑性时程分析(IDA)结果为依据,运用多模态Pushover法(MPA)和传统的Pushover法进行对比分析。结果表明:相对于规则框架结构,除MPA外,掉层结构的掉层部分在各类侧向力分布模式相对于IDA下的层间Pushover曲线有较大差异。SRSS分布下在掉一、二层位置,过高估计结构的响应。上接地层以上部位各侧向力下的层间Pushover曲线较IDA曲线误差较小。掉层的楼层的层剪力在上接地位置存在明显的突变。掉层跨数的改变对上部楼层弹塑性分析结果影响较小,但跨数的改变会改变同等烈度下结构的层间Pushover曲线和内力响应。与此同时,掉层跨数的增加会减轻"剪力突变"现象。伴随着掉层层数的增加,掉层部分均匀分布和倒三角分布与IDA下层间推覆曲线的差异会扩大。总之,相对于传统Pushover分析,MPA分析的结果更接近于相对准确值,需要进一步研究以提高精度。

山地掉层框架结构振型分解法合理振型数的研究

高阶振型对山地掉层结构的某些部位有不可忽略的影响。以振型分解法为基础,通过两种控制方法:振型质量参与系数法、振型位移法,两种控制精度:90%、95%,对一山地掉层框架结构进行振型截断,分析结构响应的差异性,并通过改变该结构布置形式,探讨振型截断的影响规律。结果表明,振型分解法对山地掉层框架结构是适用的。振型截断的误差主要体现在掉层部位的中上层和上部结构顶层。沿顺坡向,掉层部位是受控制精度影响最大的楼层。对掉层层数不同的结构,掉层数越少,两种控制方法不同控制精度下的差异越明显;对掉层跨数及上部结构层数不同的结构,两种控制方法的规律相似;沿横坡向,上部结构顶层是受控制精度影响最大的楼层,且两种控制方法有差异,在掉层层数不同时体现最明显。

钢支撑布置方案对掉层框架结构抗震性能影响研究

为了研究钢支撑不同布置方案对掉层框架结构抗震性能的影响,本文设计了一多层和一高层掉层框架结构,分别对其考虑不同的支撑布置位置和支撑与掉层框架间的抗侧刚度比,并在SAP2000中通过弹性反应谱分析和动力弹塑性时程分析进行了研究。分析结果表明合理布置的钢支撑能够使结构上接地层剪力分布更加均匀,使结构扭转位移比和层间位移角明显降低,使结构构件出铰情况得到改善。为使钢支撑充分发挥其性能,本文建议支撑在平面上宜沿掉层框架结构掉层部分外侧两个角柱的两个主轴方向分别布置,在立面上宜从下接地端开始向上连续布置到结构顺坡向和横坡向的薄弱层位置;钢支撑-掉层框架结构经济合理的抗侧刚度比范围宜取0.5~1.5。

坡地建筑掉层框架结构大震下破坏模式研究

为了提高坡地建筑的抗震性能,本文对坡地建筑掉层框架结构强震破坏模式进行研究。通过分析掉层框架结构与平地框架结构在大震下破坏模式的差异,给出了三种坡地建筑掉层框架结构大震下破坏模式,考虑到坡地建筑掉层框架结构在上接地水平地震振动放大效应,采用分段侧向模式,分析了坡地建筑掉层框架结构从左到右、从右到左的推覆情况,得到坡地建筑掉层框架结构在不同掉层数下和不同掉跨数下的推覆曲线,分析了掉层数和掉跨数对坡地建筑掉层框架结构大震下破坏模式的影响,为该类结构设计提供了一定的参考建议。

钢筋混凝土掉层框架结构多点输入地震响应特征分析

山地建筑不同标高基础的地震动存在差异,其对山地建筑地震响应的影响程度有待研究。以自贡地形台阵为背景,以该台阵采集的汶川地震记录为输入,设计4组空间钢筋混凝土(RC)掉层框架结构。分别按上接地地震动的一致输入、下接地地震动的一致输入、上接地与下接地不同地震动的多点输入开展了算例结构的弹性和弹塑性时程分析。将一致输入结构响应与多点输入结构响应之比定义为结构地震响应差异系数,从结构地震响应差异系数、破坏特征等方面分析了多点输入对岩石地基基础上的空间RC掉层框架结构地震响应的影响。结果表明:弹性分析时,基本周期较长的RC掉层框架结构侧向变形和层剪力的地震响应差异系数在0.85~1.12之间,基本周期较短结构的侧向变形和层剪力的地震响应差异系数在0.38~1.22之间,按一致输入地震动设计的RC掉层框架结构可能偏不安全;弹塑性分析时,多点输入下RC掉层框架结构的地震响应与一致输入下的有明显差异,最小差异系数可到0.27;在极罕遇地震作用时,多点输入下RC掉层框架结构底部的破坏状态比一致输入下严重,宜对其掉层部分和坎上1层进行适当的抗震加强。

地震作用下掉层钢框架结构抗倒塌能力分析

采用PERFORM-3D程序对掉层钢框架结构进行了抗震倒塌能力研究。考虑不同的掉层情况和结构措施,设计了2个普通钢框架结构模型和4个掉层钢框架结构模型(其中2个模型带拉梁加强),利用增量动力分析方法对上述钢框架模型进行了易损性分析和抗震倒塌能力评估。结果表明,掉层钢框架结构的抗震倒塌能力与掉层数关系不大;采用拉梁加强的掉层钢框架,上接地侧的抗震倒塌能力和抗震倒塌安全储备性能有所提高,但掉层侧的抗震倒塌能力和抗地震倒塌安全储备降低;增加拉梁的数量对该类结构影响不大,但会改变其破坏模式;上接地侧倒塌模式下,上接地一层是上接地侧最薄弱的楼层;掉层侧倒塌模式下,上接地二层是掉层侧最薄弱的楼层。

掉层RC框架结构的横坡向扭转规律分析

对掉层RC框架结构的弹性扭转特征进行分析,并基于掉层RC框架结构的扭转特征提出将相对偏心距作为反映其扭转程度的参量,根据“等代柱”思想提出了简化的计算方法,分析了结构在横坡向单向地震作用下的弹性及弹塑性扭转反应规律,以及相对偏心距与结构扭转程度的对应关系。结果表明:横坡向地震作用时,掉层RC框架结构在掉层侧和上接地侧变形差异较大,结构扭转反应明显;掉层部分跨数的改变对掉层部分和上接地层的扭转反应影响程度更大些;弹塑性阶段,结构上接地侧柱破坏相对掉层侧严重,且相对偏心距>0.65时,上接地侧柱端破坏大于OP状态的比例显著增大;本文提出的简化方法得到的相对偏心距在弹性和弹塑性阶段均能较好地反映结构的扭转程度。

掉层RC框架结构基于典型失效模式的失效概率评估

结构失效模式决定了结构在强震下的抗震性能。该文采用基于可靠度理论的割集方法,对掉层框架结构地震作用下的典型失效模型的失效概率进行评估,并与规则框架结构进行对比,分析了掉层框架结构失效模式的特点。结果表明:掉层框架结构的柱极限剪切失效模式年平均发生概率高于规则结构,且掉层框架结构存在剪切破坏先于弯曲破坏的风险,应采取适当加强措施以满足"强剪弱弯"的设计原则;对掉层结构进行基于年平均概率的柱剪力增大系数分析,建议对掉层结构上接地柱进行抗剪承载力设计时,采用抗震等级提高一级所对应的剪力增大系数,且上接地柱全柱段箍筋应加密布置。

典型山地建筑掉层框架结构抗震性能Pushover分析

针对山地掉层结构在不同加载方式下的抗震性能,基于Pushover方法,分析了不同掉层层数和掉层跨数对掉层结构的影响以及掉层结构和平地结构抗震性能的区别;进一步针对掉层结构和平地结构,研究了Pushover分析结果与非线性动力时程分析结果的相关性,以及不同侧向加载模式下Pushover分析方法的适用性。结果表明:掉层层数和掉层跨数对掉层结构的抗震性能影响较大。掉层结构的掉层部分相比坎上部分破坏较轻,坎上1~3层梁端和上接地柱的塑性破坏最严重;随着掉层数和掉跨数的增加,坎上1层接地柱及与其相连的梁将在结构其它部位的梁柱端塑性未能充分发展前失去承载能力,使得结构达到推覆极限状态。掉层结构Pushover分析方法和时程分析方法的结果趋于一致,说明采用Pushover分析方法对掉层结构进行抗震性能评估是可行的。倒三角加载和指数加载模式会低估掉层部分的地震反应,对于掉层部分进行抗震性能评估时,宜采用均匀加载和MPA方法。

设置水平接地构件的掉层RC框架结构振动台试验研究

在山地掉层结构的实际设计中是否应建议设置水平接地构件是一个具有争议的问题。基于岩质地基的前提,设计和制作设置水平接地楼盖与未设置水平接地楼盖的6层1/8掉层RC框架结构模型各一个并进行振动台试验。对两模型的试验宏观现象及频率、振型曲线、阻尼比、加速度响应、位移响应、扭转响应等进行对比研究。结果表明:水平接地构件的设置加强结构顺、横坡向的刚度,显著改变结构的振型曲线;水平接地构件所在楼层的加速度放大系数受到限制,且相邻下层的加速度放大系数随地震强度增加而增大;两模型顺、横坡向变形规律不同且水平接地构件的设置大大减弱结构的扭转效应;设置水平接地构件的模型整体破坏相对轻些,且未发生显著的损伤转移。

隔震框架结构长周期地震动响应与损伤机理

研究目的:采用隔震技术可有效改善山地掉层框架结构的抗震性能,但山地地区常紧邻地震断裂带与大型沉积盆地,这为近断层脉冲型长周期地震动(近场型)和远场长周期地震动(远场型)的孕育提供了条件。在实际工程设计中,常常忽略长周期地震动对隔震结构的危害性,且对于长周期地震动作用下隔震结构减震性能的研究尚未完善。研究结论:(1)基于Hilbert-Huang变换(HHT)方法实现了对两类长周期地震动的特殊长周期成分的提取;(2)针对铅芯隔震掉层框架结构,将提取特殊长周期成分后的地震动的结构响应与原始地震动的响应进行对比,依据各类结构响应的改变量进一步揭示不同长周期成分对隔震框架结构的控制效应;(3)隔震框架结构在近场地震动作用下主要产生隔震垫位移过大的首次超越破坏,而在远场长周期地震动作用下除了产生较大的隔震垫位移,还需对隔震垫的能量滞回效应引起重视;(4)本研究成果可为山地建筑结构的设计提供参考。

竖向地震作用对山地隔震框架结构抗震性能的影响

为研究竖向地震动作用对典型山地隔震框架结构抗震性能的影响,参考我国现行设计规范对掉层框架结构进行抗震设计。通过对基础隔震掉层框架结构在仅水平地震作用和竖向与水平地震共同作用下的非线性地震反应进行对比,得出近场地震动中的竖向分量对基础隔震掉层框架结构的强震破坏机理影响非常大。通过对非线性地震反应的综合分析得出,在近场地震动的多发地区,基于安全考虑在基础隔震掉层框架结构的计算中应引入竖向地震作用。

高阶振型在山地掉层结构中的影响研究

设置不同掉层层数、掉层跨数和坎上楼层层数的模型,对比分析各模型在不同振型数下结构响应值的误差,根据分析结果来验证常用振型数量控制方法的适用性和差异性。结果表明,高阶振型对山地结构中掉层部分的内力响应影响显著。不同的掉层结构布置对振型数的选择有重要影响,掉层层数的增加使层剪力误差超限的楼层位置从顶层转移到掉层部分,致使掉层部分对高阶振型更加敏感。伴随着掉层跨数的减少,最大层剪力误差及误差超限的楼层数均呈先增大后减小趋势,即存在最不利的掉层跨数比,此时各内力响应误差均最大。坎上楼层的增加会提高掉层部分的剪力误差值。相对于层剪力,层间位移更易于通过提高振型数来控制精度。振型位移控制法的精度较高,但会增加大量结构计算和分析成本。振型质量参与系数法仅在个别结构中的层间剪力误差较小,总体来说其控制效果较差。解决这一问题,还需进一步研究以便提出一种新的振型控制方法。