Evaluation of collapse resistance of RC frame structures for Chinese schools in seismic design categories B and C

According to the Code for Seismic Design of Buildings （GB50011-2001）, ten typical reinforced concrete （RC） frame structures, used as school classroom buildings, are designed with different seismic fortification intensities （SFIs） （SFI=6 to 8.5） and different seismic design categories （SDCs） （SDC=B and C）. The collapse resistance of the frames with SDC=B and C in terms of collapse fragility curves are quantitatively evaluated and compared via incremental dynamic analysis （IDA）. The results show that the collapse resistance of structures should be evaluated based on both the absolute seismic resistance and the corresponding design seismic intensity. For the frames with SFI from 6 to 7.5, because they have relatively low absolute seismic resistance, their collapse resistance is insufficient even when their corresponding SDCs are upgraded from B to C. Thus, further measures are needed to enhance these structures, and some suggestions are proposed.

开槽侧板加强型连接梁柱节点子结构抗连续倒塌性能研究

为了优化侧板加强型节点的抗连续倒塌性能,提出了一种开槽侧板加强型梁柱连接节点形式。通过静力加载试验,得到了新型节点子结构的破坏模式、竖向抗力发展机制、应变分布、延性水平和动力承载力等。试验结果表明:钢梁翼缘在盖板附近首先开裂并向腹板外排螺栓中部延伸贯穿,导致竖向承载力快速下降为峰值荷载的20%左右。相比传统侧板加强型和圆弧扩盖板型梁柱节点,新型节点的峰值承载力分别提高了62.1%和19.6%,塑性弦转角分别提高了203.6%和25.8%。通过有限元分析得到了试件的断裂路径发展过程,进一步地通过参数化分析发现:扩大过焊孔构造对改善峰值后塑性弦转角及残余强度提升无明显作用;随着螺栓群远离钢梁翼缘起始断裂位置,最小残余强度比不断增大,但峰值后塑性弦转角呈先增大后减小的趋势;当螺栓群内移45mm时,峰值后塑性弦转角及最小残余强度比分别达到0.149rad和0.88,提高了38.2%和200.8%。

考虑余震和耗能梁损伤的K-EBF结构抗震性能分析

针对构件失效会改变结构原有受力状态,同时建筑物可能会因余震的影响而产生严重破坏甚至倒塌的问题,研究了耗能梁构件损伤失效和余震对K形偏心支撑钢框架(K-EBF)结构抗震性能的影响。对12层和18层K-EBF结构算例以最大层间位移角为地震需求参数,峰值地震加速度(PGA)为地震动强度参数进行了增量动力分析、结构易损性分析和抗倒塌性能评估。结果表明:同时考虑余震以及耗能梁损伤失效与均不考虑相比,12层和18层结构在设防地震时的最大层间侧移角θ_(max)分别增大2.3%和8.4%,重度损伤失效概率分别增大0.6%和2.8%;罕遇地震时的θ_(max)分别增大21.0%和42.1%,重度损伤失效概率分别增大11.6%和19.4%;另外,12层和18层结构的最小抗倒塌储备系数分别下降了32.1%和31.2%;总体上,余震会加剧结构损伤累积,其对结构的影响程度会随地震动强度的变大而增加;在考虑耗能梁构件损伤失效后,结构不同极限状态下失效概率会进一步增大,造成结构的最小抗倒塌储备系数进一步下降;因此,在K-EBF结构抗震性能分析时应充分考虑余震和耗能梁损伤失效所造成的影响,以真实反映结构地震作用下的响应。将耗能梁的损伤失效和余震的影响同时纳入考虑范围可更全面地分析K-EBF结构的抗震性能,为抗震设计提供更可靠的依据。

村镇砌体结构民居地震倒塌易损性分析

为了快速定量评估我国村镇区域现存的大量居民自建砌体房屋的地震抗倒塌性能,提出了一种基于简化分析模型的地震倒塌易损性分析方法.针对不同抗震构造措施的村镇典型砌体结构民居,基于砌体墙片恢复力模型和刚性楼板假定,建立结构简化剪切层模型,并根据结构的典型地震倒塌破坏模式,确定对应的倒塌判断准则.通过对比所提模型与精细化有限元模型的模拟结果,验证该模型在倒塌分析中的可靠性.基于23条地震动的增量动力分析,得到各简化剪切层模型的倒塌易损性曲线,量化评价结构抗倒塌性能.结果表明:增加构造柱可以显著提高结构抗倒塌能力;相较于现浇楼板,采用预制楼板后结构抗倒塌能力减弱;不设置构造柱和圈梁且采用预制楼板的结构抗倒塌储备系数仅为采用完好抗震构造措施结构的10%.

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。

RC框架楼房中心立柱爆破失效条件下结构动力响应特性分析

为研究RC框架楼房局部立柱爆破失效后结构的抗连续倒塌性能和动力响应特性,依托一栋8层框架结构楼房爆破拆除工程,通过中心立柱现场爆破试验,对立柱邻近梁柱子结构的变形与应力调整过程进行了实时观测。采用PKPM建立实际工程对应的建筑模型,并基于拆除构件法,应用SAP 2000中非线性动力分析方法计算中心立柱失效下剩余结构的动力响应特性以及抗连续倒塌能力。结果表明:中心立柱爆破失效后,采用应变-弯矩理论公式得出的应变理论值约为260με、动应变现场实测值约为377με、数值模拟值约为238με,三种方法得出的动应变结果较为接近;失效点竖向位移计算值3.2 mm,与现场实测位移2.67 mm接近,其导致的塑性转角计算值为0.051°,与现场实测值0.05°接近;中心立柱爆破失效瞬间,剩余结构经历了明显的动力冲击,其正负向加速度值大致相同,最大加速度达到3.5 m/s^(2);中心立柱失效后,剩余结构产生荷载重分布,原本由中心立柱承担的竖向荷载被周边柱所分担,导致上方梁体出现显著的悬链线效应。本论文的研究成果有助于框架结构楼房在意外爆炸情况下的易损性评估与抗连续倒塌性能分析,同时也可为拆除爆破中的试爆立柱选择提供参考。

包头奥运冰雪中心结构设计

包头奥运冰雪中心属于超限高层建筑,下部混凝土部分为框架结构体系,局部大跨度楼盖采用双向交叉平面桁架体系,屋盖采用立体桁架。各层空间关系较为复杂,具有扭转不规则、楼板不连续、结构超长、错层等特点。结构设计采用基于性能的抗震设计方法,采用YJK、PMSAP和MIDAS Gen进行弹性分析和比较,应用Paco-spa软件进行动力弹塑性分析。此外,对大跨度楼盖的舒适度、钢结构楼屋盖的整体稳定性、关键节点、楼屋盖的防倒塌能力以及超长结构的温度应力、薄弱楼板应力进行了专门分析。并根据分析结果对结构的关键部位和构件采取针对性的加强措施。计算结果表明,结构的各项指标满足规范和既定抗震性能目标要求,结构设计合理、安全可行。

基于结构拓扑的不规则钢桁架体育馆抗倒塌分析

钢桁架结构的抗倒塌分析方法应与结构拓扑相匹配。为此,选取一不规则(柱网布置与上部桁架分布不规则)钢桁架体育馆进行非线性动力分析。基于柱内轴向荷载的水平与上部悬挑桁架的分布选取了关键构件,并给出了确定分析模型等效荷载时程曲线的方法。通过ABAQUS/Explicit模块模拟关键构件失效后结构的瞬态反应,并根据强度准则与变形准则判定结构是否发生连续性倒塌。分析结果表明,由于Ⓔ轴柱后有面积较大的一部分悬挑结构,Ⓔ轴柱失效产生的动力效应高于其他区域;E1柱与E3柱的失效会导致结构的变形或杆件应力比超过限值,建议在2层柱间增设支撑或者对Ⓔ轴柱外的悬挑结构布置额外竖向支撑,以此增加结构整体的抗倒塌韧性。

南宁吴圩国际机场T3航站楼主楼钢结构设计

南宁吴圩国际机场T3航站楼项目在航站楼内创新性地提出吊挂景观平台的建筑方案,造型独特,结构安全性要求高。航站楼主楼主体采用钢筋混凝土框架结构,屋盖采用异形大跨度空间钢结构。介绍了主楼屋盖设计的若干关键问题及设计措施,主要包括支承系统结构设计、大跨度屋盖结构设计、吊挂景观平台结构设计以及对于吊挂平台的抗连续倒塌分析。结果表明:主楼钢屋盖和吊挂景观平台在各工况和预设的性能目标下是安全可靠的。

某高铁站房屋盖钢网架结构设计

某高速铁路站房屋面采用大跨度钢网架结构体系,网架平面投影形状呈“凸”字型,最大跨度约51.6 m,高低屋面高差约4 m。针对该项目大跨度钢网架结构进行概念设计、弹性分析、抗震性能优化设计和抗连续倒塌分析,确保了该屋面结构具备足够的安全度,可为类似钢网架结构的设计提供参考。

单跨RC框架结构的抗震倒塌能力分析

学校建筑中的连廊经常使用单跨框架结构,而关于单跨框架结构的抗震倒塌能力定量评价较少。按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)设计了17个连廊框架模型,分别进行基于动力增量分析方法的倒塌易损性分析,用倒塌概率和安全储备系数定量评价各模型的抗震倒塌能力。结果显示,相比同层数的双跨框架结构,本例单跨框架结构的抗震倒塌能力冗余度高;1层乙类单跨框架结构,通过提高一度采取抗震措施或提高一度计算地震作用均能提高结构的抗震倒塌能力,使结构倒塌概率在可接受的范围,且提高一度计算地震作用比提高一度采取抗震措施更能提高结构的抗震倒塌能力;提高框架梁的抗震性能对提高结构抗震倒塌能力作用很小,而提高框架柱的抗震性能能较大地提高结构抗震倒塌能力;用安全储备系数归一条件下的造价来评价,提高框架柱抗震性能比提高一度采取抗震措施更经济。

不同加固方式对RC框架抗连续倒塌性能的影响研究

为研究不同加固方式对钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力的影响,建立钢筋混凝土框架有限元模型进行对比分析。用五种不同加固方式分别加固,并模拟结构中柱遭遇偶然荷载后失效情况,对其进行非线性静力分析。ABAQUS模拟结果表明:加腋梁有利于节点区塑性铰的转移,使得框架在梁机制阶段的承载能力明显提升;粘贴碳纤维加固法、粘贴玻璃纤维加固法和增大梁截面加固法在悬索阶段对承载能力有所提升;增大柱截面加固法对抗连续倒塌能力提升很小。考虑材料成本及实际施工情况,各加固方式综合效益由高到低依次为:加腋梁加固法、粘贴玻璃纤维布加固法、粘贴碳纤维布加固法、增大梁截面法加固法、增大柱截面法加固法。

蜂窝圆孔型组合梁柱子结构抗倒塌性能研究

为研究蜂窝梁对组合梁柱子结构抗倒塌性能的影响,分别制作了1/3缩尺的实腹式组合梁柱子结构(WUF)和蜂窝圆孔型组合梁柱子结构(WUFC)试件,并对两试件进行中柱失效工况下的静力加载倒塌试验。试验结果表明:试件WUFC破坏模式为中柱节点右侧钢梁下翼缘首先发生断裂,随后,左右边柱节点处梁翼缘也发生断裂;而试件WUF的破坏模式仅表现为中柱节点右侧钢梁下翼缘首先出现断裂,进而裂缝沿螺栓孔竖向发展并最终贯通被剪坏。两试件的变形形态与内力发展趋势相似,但试件WUFC具有更好的变形能力,二者抗力机制可划分为压拱效应阶段、梁机制阶段与悬链线机制阶段,在压拱效应阶段,由于开孔削弱了组合梁的抗弯刚度,试件WUFC的初始刚度较试件WUF下降了8.5%;在悬链线机制阶段,WUFC的悬链线机制得到了充分发展,WUFC的最大承载力和失效位移较WUF分别增大了42.7%和31.9%;梁腹板适当开孔有利于组合梁梁端节点转动与轴力的发展。通过ABAQUS对两个试件进行精细化建模,并与试验结果对比验证了有限元建模方法的正确性。通过对足尺模型的数值模拟研究了径高比、孔间距、孔边距等关键参数对试件WUFC抗倒塌性能的影响,数值分析结果表明:为保证试件WUFC具有良好的抗倒塌性能,径高比宜取50%~70%,孔间距宜取1.0~1.4倍的梁高,孔边距宜等于梁高。

8度抗震设防烈度区板柱-剪力墙高层结构安全性能分析

板柱结构节约结构空间是一种常用建筑结构形式,通常也被认为是抗震薄弱体系,我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》对板柱结构使用范围以及适用高度作了严格限定,与国外规范相比较,我国结构规范对板柱结构有细致严格的构造要求。结合北京8度区某17层带边框高层板柱-剪力墙结构的实际工程,通过ETABS有限元程序对结构进行多遇地震作用分析,重点研究了楼板应力分布。采用SAUSG有限元程序补充罕遇地震下有限元非线性分析,研究了墙柱损伤情况与主要构件性能。应用SAP2000程序采用拆除构件法,分析了板柱结构抗连续倒塌能力。研究结果表明,在满足规范规定构造措施前提下,带边框板柱-剪力墙结构具有较好的承载能力、良好的抗震性能和抗连续倒塌能力,可以达到8度抗震设防烈度区高层建筑安全性能要求。

考虑钢筋桁架楼承板的钢管混凝土框架抗连续倒塌性能

利用ABAQUS/Explicit对边柱移除工况下钢管混凝土柱-钢梁-钢筋桁架楼承板体系的抗连续倒塌性能进行研究。在确定材性选择、损伤定义以及建模方法的准确性的基础上,分析模型的竖向承载力与破坏模式、楼承板混凝土损伤云图、关键钢构件轴向应力,探究体系内梁柱的传力规律,并量化地分析主梁抗弯机制、主梁悬链线机制、楼承板机制所提供的竖向抗力。结果表明:在边柱移除工况下,钢管混凝土柱-钢梁-钢筋桁架楼承板体系表现了较好的抗连续倒塌能力;楼承板混凝土受拉损伤和钢筋桁架拉应力主要集中在上表面的负弯矩区和下表面的正弯矩区;镀锌钢底板拉应力和梁柱约束反力占比的变化过程侧面反映了抗力由破坏位置向非破坏位置传递的机制;加载前期G6主梁的压拱效应强于G1、G2主梁,但由于边柱失效工况的边界条件对G6梁的拉结较差,在加载中后期G6梁无法充分发挥悬链线作用;加载初始主梁抗弯机制和楼承板机制提供主要抗力,而当竖向承载力达到最大值时,主梁抗弯机制、主梁悬链线机制、楼承板机制抗力占比分别为42.7%、23.8%、33.5%。钢筋桁架楼承板对框架抗连续倒塌能力的贡献是不可忽略的,始终占总承载力的30%左右。

考虑填充墙刚度的RC框架结构抗震设计方法研究

针对填充墙框架结构在地震作用下不同阶段填充墙提供的刚度不同,收集了国内外相关计算公式并建立回归模型进行公式拟合,得到了填充墙不同阶段的抗侧刚度计算方法。通过增设翼墙来解决填充墙框架结构楼层内各榀框架刚度不平衡的情况,设计了4个数值模型(1个原型结构与3个分别基于弹性阶段、屈服阶段、承载力峰值阶段实现刚度平衡设计的翼墙加固结构),通过IDA分析对4个模型进行抗震性能评估。结果表明,考虑填充墙刚度进行刚度平衡设计后的3个模型较原型结构相比:各层最大层间位移角减小,离散性降低,结构抗地震倒塌能力提高。对比分析4个模型结构可得,基于填充墙屈服阶段刚度平衡进行翼墙刚度需求设计的效果最佳。

南京某商业过街连桥结构设计及分析

南京某商业为跨街道的大型商业建筑,通过在道路的一侧设置一道防震缝,将结构分为左、右两个分区。主要针对左、右两个分区之间的多层大跨度过街连桥的设计和计算分析进行阐述。为满足建筑的经济性和美观性要求,连桥采用钢桁架吊柱方案;通过对过街连桥在小、中、大震下的构件应力的分析,保证了结构在地震作用下的安全性;除此之外还进行了大跨度连桥的舒适度分析、连桥构件两种施工方案的对比分析、吊柱层梁端固接铰接的对比分析、大跨连桥的抗连续性倒塌分析以及连桥对主体结构的影响分析保证大跨连桥使用的安全性和舒适性;对典型的斜拉杆与桁架层弦杆及腹杆的连接节点进行了精细的有限元计算分析,保证了在各个工况下节点的安全性。

屋顶摩天轮在商业建筑中的设计要点分析

屋顶摩天轮的造型新颖,节约占地面积的同时,还能吸引客流。本文以屋顶摩天轮的抗倒塌验算为切入点,通过模态分析、反应谱计算得到屋顶摩天轮的支座反力,采用动力弹性时程分析获得摩天轮支座的地震内力放大系数,将屋顶摩天轮与主体结构整体分析,讨论了主体结构支承柱的锚固节点、内力性质与加强措施,并对水平位移与竖向沉降对摩天轮的影响进行了研究,论证了方案的合理性与可行性,为类似工程项目提供了参考价值。

某体育场大跨拱形雨蓬加固改造设计与分析

合肥一中体育场雨蓬为改造项目,在不破坏原有看台结构的基础上,新建跨度为160m的拱形雨蓬来实现建筑的功能。此工程采用大跨钢管拱桁架结构形式,主拱跨度为128m,属于跨度超限结构。通过数值模拟风洞试验,得到了此结构的体型系数和风振系数,并和相关规范及文献进行对比,获取合适的风荷载参数对结构进行分析。采用3D3S、MIDAS Gen等软件对结构进行了静力和变形计算、抗震性能分析、稳定性分析、抗连续倒塌性能分析、支座位移分析等。采用ANSYS软件对结构的关键节点进行了有限元分析,并在重要部位及薄弱区域进行了构造加强措施。结果表明,该结构的承载力和变形均满足相关规范要求,节点可以满足承载力要求。

大跨空间预应力杂交结构设计

遵义师范学院体育馆可容纳3000名观众,总建筑面积为12670m2。大跨屋盖平面呈八角形,纵向跨度95m,横向跨度72m。屋盖采用空间桁架-局部单层预应力杂交结构,并支承在八根不等高钢筋混凝土柱顶。位于柱顶的弹性支座既减小了水平推力又提供了足够的刚度。基于屋盖结构的复杂程度进行了静力分析、非线性稳定性分析及抗连续倒塌分析。分析结果表明:该屋盖结构受力合理,支座形式选取恰当;在各个荷载组合工况下结构指标良好;按最低阶模态进行的非线性稳定性分析中结构极限承载力荷载系数6.017,远大于规范要求的2.0;基于拆除构件法的瞬态动力分析表明,各受力较大部位的构件失效后,结构仍处于弹性阶段。结构具有一定的内力重分布能力,不会发生连续倒塌。结构设计满足规范及建筑功能的要求。