RC框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)與綜合反應(yīng)修正系數(shù)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)(Seismic Perfomance Factors,SPFs)是“結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)R”、“整體超強(qiáng)系數(shù)RS”和“位移放大系數(shù)Cd”的統(tǒng)稱,它們是基于承載力抗震設(shè)計(jì)中確定設(shè)計(jì)地震力的關(guān)鍵因素,也是基于性能抗震設(shè)計(jì)中確定等延性非彈性反應(yīng)譜的主要依據(jù)。
　　美國(guó)、歐洲和日本等國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范主要采用結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)對(duì)設(shè)防烈度下的彈性反應(yīng)進(jìn)行折減來(lái)確定地震力,以考慮不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)延性的影響。但是,目前世界各國(guó)抗震設(shè)

2、計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)抗震性能系數(shù)的取值主要都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的,且各規(guī)范之間取值的差異很大,因此,為了合理量化結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù),美國(guó)的FEMAP695提出了一套科學(xué)合理的概率抗震性能評(píng)定方法來(lái)評(píng)定按現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定的整體抗震性能系數(shù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能否滿足預(yù)期的抗倒塌性能目標(biāo)。
　　我國(guó)1978年以前的抗震規(guī)范是通過(guò)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)(即結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)的倒數(shù))折減設(shè)防烈度下的彈性地震力來(lái)定義設(shè)計(jì)地震作用的。但是,在1989年以后修訂的三個(gè)版

3、本的抗震規(guī)范中,都擯棄了結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的概念,轉(zhuǎn)而采用眾值烈度(小震)下的彈性設(shè)計(jì)反應(yīng)譜直接計(jì)算總的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。為此,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)現(xiàn)行抗震規(guī)范的小震地震力理論和小震彈性設(shè)計(jì)法開(kāi)始進(jìn)行反思,針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的整體抗震性能系數(shù)進(jìn)行了較為深入的研究,但是對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)的研究則相對(duì)較少。所以系統(tǒng)深入地研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)的量化與評(píng)定,是由彈性設(shè)計(jì)力向延性設(shè)計(jì)地震力轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,也是基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論

4、的重要基礎(chǔ)性問(wèn)題。該問(wèn)題的解決對(duì)于提高我國(guó)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和經(jīng)濟(jì)性,盡快促進(jìn)性能設(shè)計(jì)理論在我國(guó)的應(yīng)用步伐具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以量大面廣的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,考慮不同設(shè)防烈度,嚴(yán)格按現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)了17個(gè)具有不同層數(shù)的典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),采用OpenSees進(jìn)行有限元建模與分析,采用課題組的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和清華大學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;針對(duì)所設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu),分別采用非線性靜力方法和非

5、線性動(dòng)力方法對(duì)其整體抗震性能系數(shù)的需求值和能力值進(jìn)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的分析,采用能力需求比的概念從確定性的角度對(duì)整體抗震性能系數(shù)進(jìn)行了評(píng)定,并聯(lián)合應(yīng)用調(diào)整倒塌裕度比和位移需求能力系數(shù)法從隨機(jī)性的角度對(duì)抗震性能系數(shù)的合理取值進(jìn)行了綜合概率評(píng)定,最終給出了其建議取值。由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于抗震性能系數(shù)的研究很少考慮損傷結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的魯棒性,為此,本文在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出結(jié)構(gòu)“綜合反應(yīng)修正系數(shù)”的概念,通過(guò)引入抗震魯棒性系數(shù)對(duì)損

6、傷結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià),從而實(shí)現(xiàn)在抗震設(shè)計(jì)中考慮地震作用下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的影響。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1)按照我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,考慮不同設(shè)防烈度,設(shè)計(jì)了17個(gè)不同層數(shù)的RC框架結(jié)構(gòu),基于地震工程模擬平臺(tái)Open Sees,建立了17個(gè)結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型。通過(guò)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗(yàn)的對(duì)比分析,驗(yàn)證了本文Open Sees模型的正確性與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,分別采用非線性靜力方法和非

7、線性動(dòng)力方法,對(duì)所設(shè)計(jì)的RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到“臨界倒塌狀態(tài)”時(shí)結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)的能力值及其變化規(guī)律。
　　2)分別采用靜力能力譜方法、動(dòng)力能力譜方法和時(shí)程分析方法,對(duì)所設(shè)計(jì)的RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到了不同強(qiáng)度需求譜作用下結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)的需求值。提出了結(jié)構(gòu)抗震性能系數(shù)能力需求比的概念和計(jì)算方法,從確定性的角度對(duì)我國(guó)抗震規(guī)范所隱含的RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能系數(shù)進(jìn)行了評(píng)定。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用本文得到的罕遇地震作用下結(jié)

8、構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)的需求值,對(duì)我國(guó)抗震規(guī)范中給出的多遇地震影響系數(shù)曲線進(jìn)行了修正。
　　3)聯(lián)合應(yīng)用調(diào)整倒塌裕度比(Adjusted Collapse Margin Ratio,ACMR)和位移需求能力系數(shù)法(Demand and Capacity Factor Method,DCFM),對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否具有一致的抗倒塌概率風(fēng)險(xiǎn)水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)能否滿足“臨界倒塌”性能目標(biāo)進(jìn)行了綜合評(píng)定,從不確定性的角度對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能系數(shù)進(jìn)行

9、了概率評(píng)定,并給出了結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)的建議取值。
　　4)針對(duì)“側(cè)向連續(xù)倒塌”失效模式,采用基于備用荷載路徑的Pushover方法、靜力能力譜方法、IDA方法和位移需求能力系數(shù)法,分別從強(qiáng)度、耗能以及變形的角度,對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向連續(xù)倒塌能力進(jìn)行了研究,并將基于承載力的魯棒性指標(biāo)分別拓展到基于譜加速度和變形的魯棒性指標(biāo)。通過(guò)結(jié)構(gòu)抗側(cè)向連續(xù)倒塌魯棒性系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)進(jìn)行修正,得到了考慮側(cè)向連續(xù)倒塌失效模式的結(jié)構(gòu)綜合反應(yīng)修正系

10、數(shù)。
　　5)針對(duì)“豎向連續(xù)倒塌”失效模式,采用考慮構(gòu)件失效加載方案的Pushdown分析方法和考慮構(gòu)件失效時(shí)長(zhǎng)的豎向IDA分析方法,分析了損傷結(jié)構(gòu)在初始屈服狀態(tài)、整體屈服狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)時(shí)的抗豎向連續(xù)倒塌能力,并得到了其相應(yīng)的抗豎向連續(xù)倒塌魯棒性指標(biāo)。采用豎向連續(xù)倒塌魯棒性系數(shù),進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)綜合反應(yīng)修正系數(shù)進(jìn)行了修正。在此基礎(chǔ)上,采用結(jié)構(gòu)綜合反應(yīng)修正系數(shù)來(lái)得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震作用,實(shí)現(xiàn)了在抗震設(shè)計(jì)中考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌失效模式的

11、影響。
　　通過(guò)上述內(nèi)容的研究,本文發(fā)現(xiàn):采用現(xiàn)行抗震規(guī)范所隱含的結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)期的抗倒塌性能目標(biāo),但是結(jié)構(gòu)整體抗震性能系數(shù)取值比較保守,本文給出了結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)的建議取值,從而為促進(jìn)我國(guó)抗震規(guī)范從小震彈性設(shè)計(jì)向中震延性設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)理論在我國(guó)抗震規(guī)范中的應(yīng)用提供了理論參考。同時(shí),本文提出的結(jié)構(gòu)綜合反應(yīng)修正系數(shù),可以統(tǒng)一考慮結(jié)構(gòu)抗側(cè)向連續(xù)倒塌和抗豎向連續(xù)倒塌魯棒性的影響,從而可以實(shí)現(xiàn)在抗震設(shè)計(jì)中考慮結(jié)