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)計中確定設(shè)計地震力的關(guān)鍵因素,也是基于性能抗震設(shè)計中確定等延性非彈性反應(yīng)譜的主要依據(jù)。
　　美國、歐洲和日本等國家的抗震設(shè)計規(guī)范主要采用結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)對設(shè)防烈度下的彈性反應(yīng)進行折減來確定地震力,以考慮不同類型結(jié)構(gòu)延性的影響。但是,目前世界各國抗震設(shè)

2、計規(guī)范或標準中對抗震性能系數(shù)的取值主要都是根據(jù)經(jīng)驗確定的,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),美國的FEMAP695提出了一套科學(xué)合理的概率抗震性能評定方法來評定按現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定的整體抗震性能系數(shù)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能否滿足預(yù)期的抗倒塌性能目標。
　　我國1978年以前的抗震規(guī)范是通過結(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定義設(shè)計地震作用的。但是,在1989年以后修訂的三個版

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)計反應(yīng)譜直接計算總的水平地震作用標準值。為此,國內(nèi)很多學(xué)者對現(xiàn)行抗震規(guī)范的小震地震力理論和小震彈性設(shè)計法開始進行反思,針對鋼結(jié)構(gòu)的整體抗震性能系數(shù)進行了較為深入的研究,但是對于鋼筋混凝土結(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)的量化與評定,是由彈性設(shè)計力向延性設(shè)計地震力轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵科學(xué)問題,也是基于性能的抗震設(shè)計理論

4、的重要基礎(chǔ)性問題。該問題的解決對于提高我國工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的科學(xué)性、合理性和經(jīng)濟性,盡快促進性能設(shè)計理論在我國的應(yīng)用步伐具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。
　　本文以量大面廣的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象,考慮不同設(shè)防烈度,嚴格按現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計了17個具有不同層數(shù)的典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),采用OpenSees進行有限元建模與分析,采用課題組的振動臺試驗數(shù)據(jù)和清華大學(xué)的試驗數(shù)據(jù)進行驗證;針對所設(shè)計的典型結(jié)構(gòu),分別采用非線性靜力方法和非

5、線性動力方法對其整體抗震性能系數(shù)的需求值和能力值進進行了系統(tǒng)深入的分析,采用能力需求比的概念從確定性的角度對整體抗震性能系數(shù)進行了評定,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)法從隨機性的角度對抗震性能系數(shù)的合理取值進行了綜合概率評定,最終給出了其建議取值。由于目前國內(nèi)外對于抗震性能系數(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,進一步提出結(jié)構(gòu)“綜合反應(yīng)修正系數(shù)”的概念,通過引入抗震魯棒性系數(shù)對損

6、傷結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評價,從而實現(xiàn)在抗震設(shè)計中考慮地震作用下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的影響。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1)按照我國現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范,考慮不同設(shè)防烈度,設(shè)計了17個不同層數(shù)的RC框架結(jié)構(gòu),基于地震工程模擬平臺Open Sees,建立了17個結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型。通過與結(jié)構(gòu)振動臺試驗以及結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗的對比分析,驗證了本文Open Sees模型的正確性與分析結(jié)果的準確性。在此基礎(chǔ)上,分別采用非線性靜力方法和非

7、線性動力方法,對所設(shè)計的RC框架結(jié)構(gòu)進行分析,得到“臨界倒塌狀態(tài)”時結(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、動力能力譜方法和時程分析方法,對所設(shè)計的RC框架結(jié)構(gòu)進行分析,得到了不同強度需求譜作用下結(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算方法,從確定性的角度對我國抗震規(guī)范所隱含的RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能系數(shù)進行了評定。在此基礎(chǔ)上,進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,對我國抗震規(guī)范中給出的多遇地震影響系數(shù)曲線進行了修正。
　　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),對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否具有一致的抗倒塌概率風(fēng)險水準和結(jié)構(gòu)能否滿足“臨界倒塌”性能目標進行了綜合評定,從不確定性的角度對RC框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能系數(shù)進行

9、了概率評定,并給出了結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)的建議取值。
　　4)針對“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,分別從強度、耗能以及變形的角度,對所設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向連續(xù)倒塌能力進行了研究,并將基于承載力的魯棒性指標分別拓展到基于譜加速度和變形的魯棒性指標。通過結(jié)構(gòu)抗側(cè)向連續(xù)倒塌魯棒性系數(shù)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)進行修正,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“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)件失效時長的豎向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。采用豎向連續(xù)倒塌魯棒性系數(shù),進一步對結(jié)構(gòu)綜合反應(yīng)修正系數(shù)進行了修正。在此基礎(chǔ)上,采用結(jié)構(gòu)綜合反應(yīng)修正系數(shù)來得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震作用,實現(xiàn)了在抗震設(shè)計中考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌失效模式的

11、影響。
　　通過上述內(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)計的結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)期的抗倒塌性能目標,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,從而為促進我國抗震規(guī)范從小震彈性設(shè)計向中震延性設(shè)計和性能設(shè)計理論在我國抗震規(guī)范中的應(yīng)用提供了理論參考。同時,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,從而可以實現(xiàn)在抗震設(shè)計中考慮結(jié)