【硕士论文】钢筋混凝土框架结构抗震性能评定方法的研究与应用.pdf

'北京工业大学硕士学位论文钢筋混凝土框架结构抗震性能评定方法的研究与应用姓名：闫熙臣申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：高小旺20070501 捅要摘要我国是一个多地震的国家，强烈的地震作用造成了巨大的灾害。在抗震设防区搞好新建工程的抗震设防和既有建筑结构的抗震性能评估，对于提高建筑工程的抗震能力和减轻地震灾害是非常重要的。本文对钢筋混凝土框架结构抗震性能评估方法及其评估参数和指标进行了研究。1．分析和总结了目前各种抗震性能评估的方法的优缺点以及适用的范围。在分析研究的基础上，提出了以push—over为基础评估钢筋混凝土框架结构抗震性能的方法。2．在总结钢筋混凝土框架结构震害和抗震性能影响因素的基础上，提出了评估钢筋混凝土框架结构的性能指标为层问位移角和塑性铰转角。通过总结现钢筋混凝土框架结构的震害和模型试验等结果，给出了适合于评估钢筋混凝土结构的层问位移角以及大震下塑性铰转角的限值，该限值与我国现行抗震规范的三个设防水准“大震、中震和小震”相对应。3．给出了该评估方法的评估流程：该方法为两阶段评估，第一阶段以层间位移角评估钢筋混凝土框架结构在大震、中震及小震下结构的性能，第二阶段以大震下的塑性铰转角为指标，评估钢筋混凝土框架结构是否在大震下由于梁、柱端形成的塑性铰转角过大，而引起的结构局部的倒塌。4．运用所提出的方法，对唐山地震中表现出良好抗震性能的唐山面粉厂制粉车间五层钢筋混凝土框架进行了评估，并于实际震害进行对比，结果表明与实际震害吻合良好。本文所提出的钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估方法及其评估参数和指标能够较全面综合评价结构的抗震性能，对于搞好新建与既有钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估、进而提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能等均具有一定的指导意义。关键词：钢筋混凝土框架；抗震性能评估；层间位移角；塑性铰转角 AbsWactAbstractBecausealargenumberofexactingbuildingsareagedgradually,seimicfortificationcriterionareadvansed，especiallythepolicywhatCentralGovernmentisrevivalingoldindustrialbaseinnortheastChinawerecarriedout，seismicevaluationforengineeringofexactingbuildingsseemstobeparticularlyvital．Onthebaseofthepushoveranalysisandtimehistoryanalysis，thispaperresearchesonseismicbehaviorofreinforcedconcreteframestructure，controlparametersandindicators．Tllispaperintroducesthecurrentseismicevaluationforenglneeringmethodsandreferstothepresentsituationandadvances，anewseismicevaluationforengineeringmethodisbroughtup．Authoranalysesthedamagetothereinforcedconcreteframestructureandcompareswithpushoveranalysislater．TllispaperanalysesearthVuakeresistantbehaviorsofstructureonthestructuralmaterial，seismicpropertiesofreinforcedconcretestructuralmembersandtheoverallshapesothattheseismicbehaviorofreinforcedconcretestructuresfortheevaluationindexesandstandards．Anewseismicevaluationforengineeringisintroduced，andbringsupfartherexplicitevaluatonindexesincludingrotationangleofeachfloorandplastichingedeflectionandallowablevaluesoftheseindexesthatcanbeappliedtoexactingandnewreinforcedconcreteframesofar．Rotationsangleofeachfloorareconfirmedfrompushoveranalysisatthefirststage，sothatstructureseismicperformanceisevaluatedatminorearthVuake,moderateearthVuakeandmajorearthVuakeorserviceability,life-safety,andcollapseprotectionthatseismicperformancelevelisdividedintothreelevelsindisplacement-basedseismicdesignmethodofreinforcedconcretestructure．Becausereinforcedconcreteframestructuremaybelocalfailureasaresultoftheexcessiveplastichingeconceratbeamorcolumnend，thisnewseismicevaluationforengineeringmethodadvisesconfiningitsdeformationtodefendthislocalfailureatthesecondstage．Ontheonehand，researchonseismicevaluationofreinforcedconcreteframeaffordsreferencetothebuildingsseismicappraisalcriterion，ontheotherhand，itcanbeappliedforVuicklyevaluatingreinforcedconcreteframe．Keywords：Reinforeedconcreteframe；Seismicevaluation；Storydrift；PlastichingecornerII 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：f丑堡匡导师签名：童：!：墼日期：盟!：乡 第l章绪论第1章绪论1．1钢筋混凝土框架抗震性能评估的研究意义近年来，随着大量的在役结构逐渐步入“老龄期”，和城市抗震设防标准的相对提高，特别是随着国家振兴东北老工业基地的政策的实施，既有建筑结构的抗震鉴定被提到日程上来。在役结构在服役期间，一方面，由于环境因素、结构自身因素和人为因素的影响，结构性能随时间在不断的劣化。我国建筑工程的施工管理水平和施工操作人员的素质相对比较差，建筑工程的质量控制和质量保证不容易到位，加之各个时期技术标准的差异等等，使一些建筑工程存在着不同程度的质量缺陷和安全隐患。不仅如此，现阶段随着我国经济的发展，既有建筑的功能经常不能满足使用者的需求，需要进行改造、加层或扩建的要求越来越迫切，使用功能的改变以及使用荷载的增加等也会造成新的安全隐患。因此，既有建筑的检测、性能评价以及加固修复已经显得尤为重要。我国是多地震的国家，也是经常遭受严重地震震害的国家。地震是迄今为止对建筑物破坏性最大的灾害，我国基本设防烈度达到7度、8度和8度以上的县市分别为700、200和30个左右，46％的城市分布在地震带上，2／3的城市处于地震区“1。20世纪全球灾难性地震造成了101万人的死亡，而中国占其中的44％。其主要原因在于地震区分布广，震源浅，强度大，位于地震区的大中城市多，建筑物的抗震能力低，强震的重复周期长。有资料表明，我国国土面积占地球陆地面积的1／15，却遭受全球7级以上地震的1／3左右。我国有4096以上地区属于7度地震烈度区，且有7096的百万以上的人口大城市处于此地震区域内。1975年辽宁海城7．3级地震中，对16栋多层钢筋混凝土框架厂房7度区的破损率统计显示其中中等破坏6％，轻微损坏25％，基本完好69％。1976年唐山大地震中啷，死亡242769人，伤残164851人，倒塌房屋3219186间，受灾面积32000km2。1999年中国台湾集集地震伤往和财产损失脚，死亡2300多人，受伤l万多人；毁坏房屋2万多间，其中包括619所学校和许多公共建筑；直接经济损失超过1000亿新台币。这些近期发生的强地震都造成较大人员伤亡，大量建筑物、桥梁、基础设施等遭到严重破坏。．据统计，在各类火灾中建筑火灾占80％左右，我国平均每年发生建筑火灾约 北京工业大学工学硕士学位论文3万起，直接经济损失约10亿元“1。研究表明，建筑物在经历火灾后，结构的抗震性能会有不同程度的下降，对火灾后的建筑进行抗震鉴定也是有必要的，也是灾后进行加固或其它处理的依据。我国的大陆海岸线长达18000km，70％以上的城市分布在沿海地带，由于海水中cl-等因素的影响，致使每年有大量的建筑受到腐蚀。研究表明，遭腐蚀后钢筋混凝土结构、钢结构的力学性能也会明显下降，因此对遭腐蚀的结构进行抗震性能评估也是减少震害的重要途径。我国1958-1960年大跃进时期；1972—1976年文化大革命时期；20世纪80年代经济体制改革初期建造的工程大多都有工程质量问题。据国家有关部门于20世纪90年代中期对我国建筑工程质量的调查统计，其中存在工程质量问题的建筑约占20％“1。对此期间建造的建筑结构，进行合适的抗震性能评估，也具有重要的意义。～此外还有风对建筑物，特别是沿海地区高层建筑的损坏，也是值得关注的；以及建筑结构的不正常使用致使结构体系发生变化等因素对建筑结构的影响，正确评估其抗震性能也是减轻灾害的重要途径。另一方面，由于建筑物所处地区抗震设防烈度的提高或结构使用功能的改变，使结构今后可能遭受的地震作用发生变化：我国的第一部抗震设计规范于1974年颁发的，在此之前的绝大部分建筑未考虑抗震设防，据有关资料统计，目前我国现有建筑位于6度及6度以上的地区需要进行抗震鉴定和加固的房屋面积有7亿平方米，而已经鉴定和加固的仅有2亿多平方米，从数量上看，尚未进行鉴定和加固的建筑物占70％左右，特别是五六十年代的建筑物在设计时没有考虑抗震设防Ⅲ。我国并于1989、2001年分别对抗震设计规范进行了修订。之后，有些地区因设防烈度的提高，而使原有按较低烈度设防的建筑的平面布置、结构形式、构造措施等，可能不满足现行规范相应的抗震要求。多年来的震害实例表明，对现有建筑物进行抗震鉴定，并对不满足抗震要求的建筑采取适当的抗震对策，是减轻地震灾害的重要途径。这就需要对其进行抗震性能评估，鉴定结构的整体性能，避免仅仅因为某个构件的承载力或变形等不满足要求，而对其进行加固，即避免“头疼医头，脚疼医脚”的弊病。以便为结构的安全使用和加固改造提供科学依据。因此，科学合理的评价既有建筑的抗震性能，分析研究影响结构抗震性能的主要因素，提出合理和便于实际应用的抗震 第l章绪论性能评价方法，对于搞好既有建筑抗震性能的评价和改造加固，使其建立在既经济又安全的原则上等具有非常重要的意义。此外，我国新建工程的建筑抗震设计均采用《建筑抗震设计规范》溯(GB500011-2001)，但是由于不同设计人员对规范理解的差异，其新建工程的抗震性能也存在较大的差异。这就需要不断提高抗震设计人员对的设计水平，深入理解影响钢筋混凝土结构抗震性能的主要因素。因此，正确评价新工程的抗震性能对于改进抗震设计也非常重要。1．2现有的钢筋混凝土框架抗震性能评估方法1．2．1经验评估法指通过对大量地震震害事例的分析，提出结构抗震性能的评估原则的方法。我国国家标准《建筑抗震鉴定标准》叫(6850023-95)从编制原则上讲就属于经验评估法。其基本思路为：从结构抗震设防目标出发，根据建筑结构的地震震害分析成果，确定其结构布置、整体性及结构构件的连接是抗震评估的重点；对实际建筑的结构布置，构件形式，屋盖支撑，排架柱和柱间支撑，构件连接及围护墙连接构件等进行现场观察、观测，通过与震害事例的对比、判断结构所具有的抗震性能；必要时进行结构的抗震承载力验算。优点：专家能够充分利用已有的经验，对建筑物进行宏观的鉴定。缺点：专家的主观性有一定程度的影响，难以使用程序进行鉴定。杨晓明”1等指出除了规范中的第一、二级鉴定，构件还必须满足抗震验算，同时他们还编写了专家系统用来对既有建筑进行抗震鉴定，但是目前的专家库还没到实用的地步．1．2．2振动测量评估法基本思路：利用环境脉动法等对建筑结构的动力特性的进行测试，利用谱分析方法识别结构动力特性，通过对位移时程进行自谱、互谱、相位谱及相干函数等内容的分析，确定结构的自振频率、振型和阻尼，进一步得到其刚度分布。然后，由刚度与强度及抗震承载力之间的关系，得到结构强度及抗震承载力。最后，通过现场实测为基础得到的强度及抗震承载力值与设计所要求或破坏性实验得到的值的比较，对工程结构的抗震能力及使用安全性做出较客观的评估。优点：使用环境脉动法对结构的动力的性进行测量，方便、经济、准确，方法简单，易 北京工业大学工学硕士学位论文操作。缺点：对结构的动力特性与结构的抗震能力之间的关系缺乏全面明确的了解。国明超触等对某钢结构厂房进行了动力特性的检测并据此对该厂房进行了抗震评估。1．2．3基于神经网络理论的两级抗震鉴定法基本思路：使用《建筑抗震鉴定标准》嘲(GB50023—95)中的两级鉴定方法，通过神经网络理论用计算机来完成对房屋的抗震鉴定。优点：能够模拟非线性程度很高的结构的抗震鉴定，可以较好地模拟人的宏观判断，尤其是对目前研究不多的离散度比较大的砌体结构。缺点：对应用于学习样本的要求比较高，对其改进比较困难，同时不易被一般的技术人员掌握。1-2．4基于专家系统的抗震鉴定基本思路：使用《建筑抗震鉴定标准》嘲(GB50023—95)中的方法，由于抗震鉴定中要考虑的各种因素之间的相互关系并不是十分明确，需要专家的经验，并且也很难用精确的数学公式来表达，故而使用专家系统获得大量的专家经验，通过计算机来实现抗震鉴定。优点：容易被工程技术人员掌握，充分利用专家经验。缺点：知识库可能还不够完善，所以可能带来不可靠的鉴定结果。1．2．5能量法基本思路：研究表明，根据多自由体系，弹性与弹塑性地震的总能量相差较小“”，采用底部剪力法或振型分解反应谱法求出结构在罕遇地震烈度下的底部剪力，同时采用结构弹性阶段的刚度，确定结构在罕遇地震烈度下所需要耗散的总能量。对结构进行单向加载下的静力弹塑性分析，可以得到结构的顶点位移底部剪力的曲线，它就表示了结构的骨架曲线，用曲线下所围的面积代表结构的滞回耗能，以此来确定结构的目标位移，然后结合此时结构的屈服机制以及临界截面的曲率延性，来评估结构在罕遇地震下的抗震能力。优点：可以简单快速地对结构做出抗震鉴定。优点：与前四种方法相比，该方法针对结构进行了整体分析，避免个人经验的局限性，使评估更加快速和科学。缺点：适用差，目前仅对预应力规则框架有研究，鉴定结果的可靠性有待进一步的研究。1．2．6以地震影响系数为指标的反应谱法基本思路：工程设计人员在运用地震反应谱进行建筑抗震设计时，采用地震 第1章绪论影响系数具体反映一定烈度的地震对建筑物作用的大小，以地震影响系数为指标的反应谱法却是反过来，把地震影响系数作为衡量所设计的建筑物的抗震能力的指标，据此而建立结构抗震性能的评估方法。一定烈度地震区的建筑结构，当其符合抗震设防要求时，其抗震能力应与相应烈度的地震影响系数对应，在此称该影响系数为抗震能力系数。把现行国家标准<建筑抗震设计规范》嘲(GB50011—2001)中规定的地震影响系数作为符合抗震设计要求的建筑结构抗震能力系数，检测实际建筑结构的自振频率，从而确定实际的地震影响系数，通过地震影响系数与抗震能力系数的比较，评估建筑结构的抗震能力。若将上述衡量指标由地震影响系数改为位移、峰值加速度或峰值速度，则分别称为位移法、峰值加速度法或峰值速度法，但其原理是一样的以地震影响系数为指标的反应谱法适用于结构在多遇地震作用下处于弹性工作阶段的情况。优点：实用强，易于被广大工程技术人员接受。缺点：具有一定的局限性，仅仅是合于结构处于弹性状态的评估。1．2．7静力弹塑性分析法基本思路：通过对己有建筑结构的抗侧力能力的计算得到结构抗震能力的评估。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。优点：水平力的大小是根据结构在不同工作阶段的周期由设计反应谱求得，而分布则根据结构的振型变化求得，该方法比进行非线性动力分析简单，可用于近似评估结构抵御地震的能力。缺点；无法得知结构在特定强度地震作用下的结构反应和破坏情况，该方法缺乏严密的理论基础。使用该方法评估钢筋混凝土结构的评估指标还没有统一的结论。文献[18]建议使用顶点位移、层间位移角、延性位移比、塑性铰分布、杆件塑性变形、损伤指标等作为参数，评定在用钢筋混凝土框架结构的抗震性能，并对对清华主楼进行了评估。文献[19]使用①顶点侧移；@层间位移角；⑦构件的局部变形作为结构抗震性能的评估指标，并使用sap2000对一框架一剪力墙结构进行了评估。目前针对抗震性能指标的标准研究还不多，因为还没有统一认可的评估指标，大多数都是以现行的抗震规范中规定的层问位移角为限值评估的。文献[20]通过分析得出钢筋混凝土异性柱框架结构层问位移角限值为1／75。 北京工业大学工学硕士学位论文1．2．8能力谱法基本思路：通过地震反应谱曲线和结构能力谱曲线的叠加来评估结构在给定地震作用下的反应特性。优点：具有静力弹塑性分析法所有的优点，并且能够评估结构在给定地震作用下的弹塑性反应。缺点：这种方法用于评估结构在给定地震作用下的弹塑性反应，其结果如何取决于特征反应点的位置，需求谱是按单自由度弹性体系得到的，通常过高估计了地震反应，该方法缺乏严密的理论基础。1．2．9．改进的能力谱法基本思路：在能力谱法的基础上，通过弹塑性静力分析来确定结构的等效单自由度体系，对此等效体系输入地震波进行弹塑性时程分析。优点；比能力谱法计算更加简洁。缺点：同样缺乏严密的理论基础。1．3课题的提出。目前我国针对钢筋混凝土框架结构的抗震性能评定主要是依据现行的《建筑抗震鉴定标准》川(GB50023．95)。主要是基于震害经验的构造鉴定和必要的承载力验算，带有强烈的经验色彩和很大的局限性，是以定性评估为主的，是针对既有建筑物的抗震鉴定。抗震能力评估既可评估己建的建筑，也可评估新建的建筑。日前基于结构性能的抗震设计理论，其目的是设计出一种新型建筑物，当其遭受不同的地震作用时，具有不同的抗震性能。这样，业主就有对多种性能目标作出选择的可能性。因此，对建于地震区的既有建筑结构，正确地评定其抗震能力，并据此进行合理的抗震加固，对于最大程度地降低震害损失以及保护人民生命财产安全，具有重要的意义。对新建的建筑进行抗震能力评估，设计出满足多种性能目标的建筑同样具有重要的现实意义。使用弹性和弹塑性时程分析对于研究在强烈地震作用下结构的非线性反应具有明显的优点，能够比较准确而完整地得到结构在罕遇地震下的反应全过程，但计算分析工作繁琐，且计算结果受到所选用地震波以及构件恢复力和屈服模型的影响较大．以pushover分析为基础的新兴结构抗震性能评定方法，具有较好的应用前景。就其本质而言，pushover分析是静力分析方法，但与一般静力非线性分析方 第1章绪论法不同之处在于其逐级单调施加的是模拟地震水平惯性力的侧向力．Pushover算法的突出优点在于它既能考虑结构的弹塑性特性且又较时程分析法大为减化。．Pushover为基础的抗震性能评估方法分为两类，确定性评估和非确定性评估。能力谱法或改进的能力谱法即确定性评估，它能够评定结构在给定地震作用下的弹塑性反应。但是此方法中的需求谱是按照单自由度弹性体系得到的，通常过高地估计了地震的反应【”】。现阶段所用的弹塑性需求谱是在弹性需求谱的基础上通过考虑等效阻尼比六或延性比“的方法得到折减的弹塑性需求谱。不难看出，这种方法用于评估结构在给定地震作用下的弹塑性反应，其结果如何取决于特征反应点的确定。传统需求谱通常是按单自由度弹性体系得到的，如叶燎原【241将结构周期(在加载过程中不断变化)及其对应的地震影响系数(总水平力与结构自重的比值)绘成曲线，并叠加相应场地的各条(对应于不同的设防水准)加速度反应谱曲线。如果结构反应曲线穿过某条反应谱，就说明结构能够抵抗该条反应谱对应的地震烈度。这种方法实质上是由结构底部剪力(或加速度)确定特征反应点，对于短周期结构，可以较好地估计结构性能；对于由速度或位移控制的中、长周期结构，可能误差较大。此时特征反应点由地震作用下可能达到最大位移来确定才更为合理。叶献国网认为单自由度弹性体系得到的需求谱通常过高估计了地震反应，据此提出了改进的能力谱方法。即将pushover方法得到的能力谱曲线简化为二折线，构造一个相应的弹塑性SDOF体系，计算输入地震动下最大位移值。即谱位移值＆，在能力谱上找到其对应点，定义为特征反应点。这种方法实质上相当于前面论述的第一种计算结构目标位移的方法。从改进的能力谱方法的计算结果来看，其计算准确性虽有提高，但并不明显，对需求谱的计算仍有待改进。有人建议用加大阻尼(等效阻尼)来获得结构弹塑性需求谱。由于阻尼机理的复杂性，合适的阻尼系数难以确定。Rcinhom利用滞回圈能量等效原则得到等效阻尼比公式【251。如果弹性阻尼比等于5％，最大位移延性系数为5．0时，则等效阻尼比为0．23(其中考虑了构件恢复力捏缩效应影响)。Moehle[26】贝q提出了计算等效阻尼比的另一公式，如果弹性阻尼比等于5％，位移延性比为5．0，则等效阻尼比为0．16。Peter[27]对9层框剪RC结构能力谱方法与弹塑性时程分析法在 北京工业大学工学硕士学位论文地震动输入下的非线性反应发现当能力谱方法的等效阻尼比取10％时，两者结果最一致。由此可见，等效阻尼系数的确定还很不统一．一般的静力弹塑性分析，是非确定性评估。对结构进行推覆分析，得到结构的能力曲线，通过此曲线，得出结构的顶点位移、层间位移、层间位移角、基底剪力等指标，来评估结构的抗震性能。目前，大多数的pushover分析均使FEMA273、FEMA274及ACT-40推荐的铰，具有一定的通用性，但是并不能适用于任何结构，并且计算准确性也有待提高。针对钢筋混凝土框架结构抗震性能的评估指标还没有统一的认识，大多数都选用顶点位移角、层间位移角、位移延性比、塑性铰分布、杆件塑性变形、损伤指标等之中的一个或几个作为评估指标。并且大多数文献并没有说明各个指标之间的相互间关系，以及各个指标对应的评判标准，多数都是与现行抗震设计规范[51规定的弹性以及弹塑性层间位移角对比对结构进行评估。本文以pushover分析为基础，对钢筋混凝土框架结构进行抗震性能评定，期望通过本文的研究，能够对钢筋混凝土框架结构的抗震评定方法、指标、标准进行研究，以解决实际遇到的问题，也体现pushover方法的初衷，即快速地评估结构的抗震性能。1．4本文的研究内容本课题拟在充分了解国内外钢筋混凝土框架结构抗震性能评估的基础上，比，较各种评估方法，并且以静力弹塑性分析法为重点．研究内容主要包括：(1)各种钢筋混凝土框架结构抗震性能的评定方法的比较。介绍现有各种钢筋混凝土结构抗震性能的评估方法，对在此基础上初步探讨各种方法的优缺点，以及目前钢筋混凝土结构抗震性能评估方法存在不足。(2)介绍了pushover分析方法的原理、假设、实施步骤、目标位移的确定等。结合一个工程实例，对该结构进行pushover分析，并对加载方式和耳标位移的确定进行了讨论，并与时程分析的结果相对比。(3)在总结钢筋混凝土框架结构震害的基础上，分析了钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响因素。从材料以及构件层次上对结构的抗震性能的做了探讨，并重点对结构的体型对结构的抗震性能的影响做了分析。．(3)钢筋混凝土框架抗震性能评定指标。提出了适用于钢筋混凝土框架结构 第1章绪论抗震评估的指标，在小震和中震作用下使用层间位移角作为评估指标，在大震作用下使用层间位移角以及塑性铰的转角共同作为结构抗震评估指标。(4)钢筋混凝土框架抗震性能评定的标准。在总结现有试验结果的基础上，通过有限元分析，并参考部分实际工程的计算数据，得出评估指标的标准，结合基于性能的抗震性能设计的理论，提出与我国“小震不坏、中震可修、大震不倒”相对应的使用良好、人身安全、防止倒塌三阶段的标准。(5)静力弹塑性分析方法在既有钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的实际应用。 第2章静力弹塑性分析Pushover算法是Freeman等人于1975年提出的。Pushover方法的早期形式是“能力谱方法”(capcitySpectrumMethod,CSM)，基于能量原理的一些研究成果，试图将实际结构的多自由度体系的弹塑性反应应用单自由度体系的反应来表达，初衷是建立一种大震下结构抗震性能的快速评估方法。近年来，随着基于性能的抗震设计理论研究的深入，静力弹塑性(pushover)分析方法日益受到重视。经过多年的研究发展，pushover算法目前已被美国、日本、中国等国家建筑抗震设计规范所接受，成为抗震结构弹塑性分析的常用方法。2．1pushover分析的基本原理Pushover计算方法主要用于对框架结构进行静力线性或非线性分析，一般采用塑性铰假定，并且假定塑性铰发生在整个截面而非截面的某一区段上。Pushover分析是结构分析模型受到一个沿结构高度为某种规定分布形式逐渐增加的侧向力或侧向位移，直至控制点达到目标位移、建筑物倾覆为止或成为机构。控制点一般指建筑物顶层的形心位置；目标位移为建筑物在设计地震力作用下的最大变形。究其本质而言，pushover算法是静力分析方法。但与一般的静力非线性方法不同之处在于其逐级单调施加的是模拟地震水平惯性力的侧向力。Pushover的控制方法大体上有两种：一是倒塌控制，当结构物产生足够的塑性铰从而形成机构时停止分析；二是位移或荷载控制，当结构中的控制点按照假定的模态达到预先给定的位移或力时停止分析。Pushover算法的突出优点在于它既能考虑结构的弹塑性特性且工作量又较时程分析大为减小。2．1．1pushover分析的基本假设(1)结构(一般为多自由度体系MDoF)的反应与结构的等效单自由度体系(sDOF)的反应是相关的，如图2．1。这表明结构的反应仅由结构的第一振型控制。· 北京工业大学工学硕士学位论文X憎Zy图2-1多自由度结构和等效单自由度体系的力一变形关系Fig2-1Force-displacementchatacte疵ticsofMDOFstructureandeVuivalentSDOFsyl；lBm(2)在每一加载步内，结构沿高度的变形由形状向量{中)表示，在这一步的反应过程中，不管变形大小，形状向量保持不变。2．1．2pushover分析的基本步骤Pushover分析是基于性能设计的有力工具。基于性能的设计可以使工程师更深入的理解和控制不同荷载水平作用下的结构行为。基本步骤：(1)建立结构分析模型。模型中的要包括那些对结构重量、强度、刚度、稳定以及对结构性能有较大影响的构件。’(2)选择合适的水平加载模式。一般可以采用两种加载方式：一种是位移控制加载方式，适用于结构荷载未知的情况；另一种是力控制加载方式，适用于结构荷载已知并且结构能够承受这些荷载的情况。(3)根据所选择的加载模式，逐步增加水平荷载，直到最弱的构件刚度发生明显的变化(一般达到屈服荷载或极限承载力)。修改分析模型中的屈服构件刚度特性，以反映构件屈服后的特性，继续增大水平荷载(荷载位移)或控制位移，此时可以采用相同的加载模式，也可以根据相关规定采用新的加载模式。(4)重复步骤(3)直到更多的构件达到其屈服强度；除非采用自适应加载模式，否则在结构的屈服阶段仍然采用相同的加载模式，对于每一个加载步，计算结构的内力、弹性和塑性变形。(5)记录所有加载步中的内力和变形，以得到所有构件在整个加载过程中的内力和变形(弹性和弹塑性)。(6)继续加载直到达到不可接受的性能状态或顶点位移超过了设计地震下的控制点处的最大位移。 第2章静力弹塑性分析(7)画出结构控制点位移与底部剪力在不同加载阶段的关系曲线，作为结构非线性响应的代表曲线，曲线中的斜率变化表示不同的构件依次发生屈服。目前，许多结构设计分析程序都加入了pushover分析模块，如PKPM、ETABS、CANNY、DRAIN-2D以及SAP2000等常见结构设计及分析程序，现就其在SAP2000中的实施步骤介绍如下：(1)建立结构分析模型。(2)定义框架铰塑性并将其指定给框架或索单元。(3)定义钢或混凝土设计可能需要的任意荷载工况和静力与动力分析工况，特别是使用默认铰模型时。(4)运行设计所需要的分析。(5)当混凝土铰属性是基于程序计算的默认值时，必须进行混凝土设计，以确定配筋。(6)当钢绞是基于程序对自动选择框架截面计算的默认值时，必须进行结构设计，并且接受程序选择的截面。(7)定义pushover分析所需要的荷载工况，包括：①重力荷载和其他可能在施加横向地震荷载前作用在结构上的荷载。可能在前面对于设计已经定义了这些荷载工况．②用来推倒结构的横向荷载。若准备使用加速度荷载或模态荷载，不需要任何新的荷载工况，当然模态分析需要定义模态分析工况。(8)定义pushover分析使用的非线性静力分析工况，包括：①一系列的一个或多个使用荷载控制的从零开始施加重力和其他固定荷载工况，这些工况包括阶段施工和几何非线性。@从此系列开始并施加横向pushover荷载的一个或多个pushover工况，这些荷载应使用位移控制，被监测的位移通常位于结构的顶部，用来绘制pushover曲线。(9)运行pushover分析工况。(10)审阅pushover结果：绘制pushover曲线、显示铰状态的变形形状(SAP2000V10版本才有，以前的版本只能以表格的形式显示铰的变形参数)、力和弯矩图形，且打印或显示需要的结果。 北京工业大学工学硕士学位论文(11)按需要修改模型并重复。应考虑用几种不同的横向pushover工况来代表可能在动力加载时发生的不同顺序的响应，这是很重要的。特别地，应在x和Y两个方向作用结构，且可能在两者间有角度．对于非对称结构，在正和负方向作用结构可能产生不同的结果。当在一给定的分向作用于结构时，可考虑水平荷载在竖向的不同分布，如在此方向的第一和第二模态。2．1．3等效单自由度体系的建立等效的原则：通过结构的MDOF的动力方程进行等效。根据静力弹塑性pushover分析方法的两个基本假定，假定表示结构地震反应的变形形状向量为{中)(实践证明，该变形形状向量的变化对最后目标位移的计算结果影响并不显著，一般的可以取结构的第一振型)，等效单自由度体系的建立过程如下：在地震作用下，多自由度体系的动力平衡方程为：(不计平面扭转效应的平面模型)阻髂}+【c㈣+{Q)=一阻p坟(2-1)其中：[MI一多自由度体系的质量矩阵；【q～多自由度体系的阻尼矩阵；x。一地面运动加速度时程；{乃一多自由度体系的恢复力矩阵；{薯){毫){x卜分别为结构的相对加速度向量、相对速度向量和相对位移向量；{毋一单位向量；假设结构的变形形状向量为{驴"，自由度体系的顶层位移为薯，则结构的相对位移向量可表示为；’研=pk(2-2)将(2-2)式代入方程(2．1)，则动力平衡方程可以写成以下形式：阻№k+fc№k+{Q}=一阻Ⅳ绣(2-3) 第2章静力弹塑性分析、■—■|■■■■■■■■■■■■————■|曼量詈量量舅曼詈量■量曼鼍●■■|置—●■■■■—■■■■■■—■■■■—一定义等效单自由厦体系的位移反应，为：z’=俐薯c24，用扣r前乘方程(2-3)，并将薯用j+来表示，得到等效单自由度体系的动力平衡方程为：M。霉+Cf+Q=一M1xI(拍、其中：M"-等效单自由度体系的等效质量，／M’／=扣}7IM№}Q．—等效单自由度体系的等效剪力，fQ’，=扣y回c．一等效单自由度体系的等效阻尼，，c+_，2pr【cⅣ}嚣笋糌假定形状向量己知，等效单自由度体系的力-变形特征可以由多自由度结构的非线性静力分析得到。由多自由度体系屈服点处的基底剪力K和顶点位移‘(由简化的荷载啦移曲线获得，如图2-1所示)，根据下式，就可以得到等效单自由度体系屈服点位置处的等效基底剪力与位移的值：彰=pr娩}(2．6)·巧=渊?协7)其中：娩j一原结构屈服点处结构楼层力分布向量，基底剪力巧=pr包}等效单自由度体系的初始周期为：乙=2石(2．8)等效单自由度体系中结构屈服后刚度与有一效侧向刚度的比值口可以直接采用原结构中的值。经过一系列的变化之后与原结构相关的等效弹塑性单自由度体系就建立了它可以用来计算原结构的目标位移。2．1．4加载方式的确定2．1．4．1均布加载模式：地震对各个楼层的作用力与该楼层的重量成比例，可表 北京工业大学工学硕士学位论文示为：巧_[儋％k僖9，均布加载模式不考虑地震过程中层惯性力的重分布，属固定模式。此模式适宜于刚度与质量沿高度分布较均匀、薄弱层为底层的结构。式中：E一结构基底剪力的增量；n--结构的总层数；M一结构第i层的重力荷载代表值；圪一基底总剪力；2．1．4．2倒三角加载模式：水平侧向力沿结构高度分布与层质量和高度成正比(即底部剪力法模式)的加载方或称为倒三角形分布水平加载模式。这是目前国内外大多数抗震规范中采用的侧向力分布形式，也广泛应用于各国规范，每一楼层水平测向力的增量可按下式计算：E=H耋％k卜协∽式中：鬼一结构第i层楼面距地面的高度；其余同上。倒三角分布水平加载模式不考虑地震过程中惯性力的重分布，也属固定模式。适应于高度不大于40m，以剪切变形为主且质量、刚度沿高度分布较均匀且梁出塑性饺的结构。2．1．4．3多振型加载：先对结构进行反应谱分析，根据振型分解反应谱平方和开方(SgSS)方法计算结构各层的层间剪力，再反算出各层水平荷载。毛=吩乃％形(2-11)％=∑％(2·12)K=E=巧一％，(2．13)(2．14) 第2章静力弹塑性分析式中，形一结构第i层的楼层重力荷载代表值；磊—第．，振型下第i层的水平荷载；p卜第_，振型下第i层的层间剪力；睁-Ⅳ个振型SRSS组合后f层剪力；吩-加载前一步的第_，周期对地震影响系数，按现行抗震规范罕遇地震影响系数曲线计算；rj—加载前一步第_，振型参与系数；．k一加载前一步结构第_，振型第f质点的水平相对位移；／1--结构总层数。2．1．5目标位移的确定结构的目标位移是指结构在地震动输入下可能达到的最大位移(一般指顶点位移)。确定方法有；2．1．5．1位移影响系数法磊=cocic2c；疋位／4石2)(2．15)式中：co一反映等效但自由度(SDOF)体系位移与建筑物顶点位移关系的调整系数；cI一反映最大非线性位移期望值与线性位移关系的调整系数；c2一反映滞回环形状对最大位移反应影响的调整系数；G一反映P-zl效应对位移影响的调整系数；疋一SDOF体系的等效自振周期和阻尼对应的谱加速度反应；￡一为结构的等效自振周期；c0确定方法：①取控制点平面处的弹性第一振型参与系数值：co=玉^=五。∑五；q／∑《Gi(2-16)i=l，i-I式中：G—i平面上的重量； 北京工业大学工学硕士学位论文黾，‰～第一振型f点和顶点平面上的振型相对位移。0当结构达到目标位移时的变形作为形状向量计算得到的顶层振型参与系数；0如下表(其他可用内插)。表2-1c0系数取值表Table2-1Valuesformodificationfactorco楼层数l235≥lO●l修正系数1．O1．21．31．41．5q可以按照以下公式确定：当乃≥不；q--1(2-17)当乃<弓；q=p+@一J圾／￡pR且J≤cl对．5(2一18)式中：巧一场地特征周期；露．弹性的计算内力与计算的屈服承载力的比值，有下式计算确定：R：』L三(2-19)vP|GC。式中：巧一用静力非线性分析计算的屈服承载力，非线性荷载-位移曲线(即底部剪力和控制点的位移之间关系曲线)采用双线性；G一全部恒载和部分可变荷载组合值。G的确定由下表查得：表2-2c，系数取值表Table2-2Valuesformodificationfactorc2T--O．1抡最(8)地震作用水平结构和构件承载力和刚度退化类型lo20l①2050年超越概率50％1．01．O 第2章静力弹塑性分析I50年超越概率lo％1．31．01．11．Ol50年超越概率2％1．51．O1．21．O①任一层在设计地震下，30e以上的楼层剪力，由可能产生承载力或刚度退化的抗侧力结构承担的结构，这些结构和构件包括：中心支撑框架、非配筋砌体墙、受剪破坏墙(或柱)，或由以上结构组合的结构类型。0上述以外的各类框架。ct可以由下式确定：c；：J．D+—I口—I(—R=--l—Y"sJ+jp—n』)IT(2．20)Jf式中：口一屈服后刚度与有效刚度之比；弘弹性结构基本周期；口一稳定系数；口：—G—,Au‘(2-21)巧如式中：∑q一第f层以上重力荷载代表值；AuI一第i层楼层质心处的弹性和弹塑性层间位移5K一第i层地震剪力设计值；hi一第i层层间高度。2．1．5．2能力谱法基本思想：建立两条相同基准的谱线：一条是由荷载．位移曲线转化为承载力谱线(也称供给谱线)，另一条有加速度反应谱转化为ADRS谱(也称需求谱线)，把两条线放在同一个图上，两曲线的交点定为“目标位移点”(或“结构抗震性能点”)，在同位移容许值比较，确定是否满足抗震要求。 北京工业大学工学硕士学位论文力一位移曲线能力谱ro。T{sds女r”标准反应谱(瓯一r谱)ADRS谱(疋一蜀谱)图2-2承载力谱转换与反应谱转换Fig2-2Capacityspectratransition&∞“hViaI∞Msp∞∞spectratransition为了从承载力曲线(pushovercurve)转变为承载力谱，需要对每个点转换，从承载力曲线上任一点的vi，A硬A转换到承载力谱的相应的点s缸和sm，可采用以下的公式：＆=警c2-22，s4=＆呵|y、X1．roof(2-23)式中：％一第一振型质量系数；^一第一振型参与系数；五删，一第一振型顶点振幅·．为了建立加速度-位移反应谱ADRS(Acceloration-DisplacementResponse 第2章静力弹塑性分析Spectra)，按照ADRS(加速度啦移反应谱)格式，结构承载力(pushover)曲线与需求谱都是以加速度与位移谱的坐标来绘制的。由标准的加速度反应谱(鼯r谱)转换为品曲谱(谱加速度为纵坐标，谱位移为横坐标)，便是ADRS谱。反应谱曲线上的第一点，同谱加速度蜀、谱速度S、谱位移&、周期r有确定的关系，要从标准的加速度反应谱鼯r模式转换为ADRS模式，必须确定曲线上每一点的相应于岛和乃的＆值，其关系可从下式确定：＆=若％(2-24)％=鲁鼠(2-25)rs女2百&(2-26)⋯标准模式的反应谱与ADRS模式的转换，如图2-3所示。嘉。j产载带＼／⋯7。薹口，础懑／Es／／，簇-：。|吩?吻7|．，弋一一。{??7．。，，．．，··-··J“一一k移图2-3反应谱折减用的阻尼转换Fig2-3Tta．mfonnofdampingofelasticresponsespectrum寻找地震需求与承载力供给之间的关系之前，须考虑结构非线性耗能性质对地震需求的折减；当地震作用于结构，达到非线性状态时，结构的能量耗能可以视为结构黏性阻尼与滞回环以内的面积大小有关，因此要设定滞回 北京工业大学工学硕士学位论文曲线i一般采用双线性型曲线代表承载力曲线，来估计有效阻尼，等效黏性阻尼，可以有图2．3所示的参数确定。、Ff=—兰2一(2-27)4庇I式中：五0一阻尼耗能，等于由滞回环包围的面积，即平行四边形的面积；E一最大的应变能，等于阴影斜线部分的三角形面积。建立双线性滞回曲线图，需要首先假定唧和易，这一点是决定等效阻尼大小和地震需求曲线的一个坐标点位置，是结构抗震性能的度量点。为了建立地震需求谱，用图2-3中的参数计算折减系数，对5％阻尼的ADRS谱进行折减为地震需求谱。承载力谱与调整后的需求谱放在同一个ADRS图上，如图2_4所示，两组曲线有个交汇点，如果这个交点与(ap，磊)点相近，此点可视为“性能点”(PerformancePoint)，或称“目标位移点”，如果此点远离(ap，磊)点，则计算过程须重复进行，直止达到满意为止。谱加速度曲线谱位移图2_4承载力谱与需求谱Fig2-4Combinationofcapacityspectrumanddemandspe曲um2．1．6塑性铰的定义’美国FEMA-273规范和ATC-40推荐四中塑性铰：轴力铰Default-P，剪力铰Default-V2，夸矩铰Default-M3，轴力弯矩铰Defauit-PMM。针对钢筋混凝土 第2章静力弹塑性分析材料的构件铰的特性介绍如下：到；力，属一力●：厂tI∞．／DE●／i．0控医位．^艇|’一|L／／1馨，厦服位暮图2·5PMM铰默认特性Fig2-5CharacteristicofdefaultPMMplastichinge对混凝土材料的构件，轴力铰默认的铰特性：弓=4￡(2-28)￡=o．ssaJ；(2-29)(1)在点B和C间的斜率使用钢总应变强化的10％；(2)对铰长度4的假定基于全长；(3)拉伸点B、C、D、E基于FEMA356表5-7，支撑受拉；(4)受压点口一只；(5)受压点E取为94,。对混凝土材料的构件，弯矩铰和P-M-M铰默认的铰特性：(1)在点B和C间的斜坡使用钢总应变强化的10％；(2)成=0，因为不需要3点C、D、E基于ATC-40中表9．6；(3)^辱是基于所给的钢筋得到，如果没有配筋，则基于最小允许钢筋得(4)除了总是关于原点对称以外，PMM曲线和同轴JjI如曲线相同；(5)PMM交互面是基于ACl318-95计算得到的，痧=J。 北京工业大学工学硕士学位论文对混凝土材料的构件，剪切铰默认的铰特性：(1)曲线关于原点对称；(2)在点B和C间的斜率使用钢总应变强化的10％；r-"--(3)巧=弘√力+‘A．d(4)点C、D、E基于FEMA-356表6-18第3条，通过平均两排标记为“常规纵向钢筋”和“均匀横向钢筋”而得。2．2静力弹塑性分析实例2．2．1验证模型2．2．1．1工程概况本例为～栋教学实验楼，设防烈度为9度，场地特征周期为0．3s，现浇钢筋混凝土框架，楼、屋盖为装配整体式，外墙采用砖与加气混凝土复合墙，内墙为加气混凝土砌块墙，梁、柱的混凝土强度等级均为C35，主筋为HRB335级变形钢筋。建筑结构平、立面布置和构件尺寸如图2-5、2-6所示，各楼层重力荷载代表值如图2．7所示。．3600图2-6结构平面图Fig2-6嗣nldmlplanes 第2章静力弹塑性分析●6∞口．30006Ⅻ图2-7结构剖面图图2-8重力荷载代表值分布图Fi92-7S自ructuraJprofileChartFi92-8RepresentativevalueofgravHyloadofthefloorZ}⋯蛙广————酉r理r—————豳图2-9结构计算模型图2-10FEMA356推荐的非线性恢复力架曲线Fig2-9StructuralcalculationmodelFig2-10FEMA356recommendhystereticmode2．2．1．2pushover分析计算结果}_．。．。，。。，。．．．．．．}_。卫 北京工业大学工学硕士学位论文——■■■■■——■——_■—■—●■■●——●—_——■●—■—■■■—■————■●—●—■■■■——●—●——一I■图2．11能力曲线Fi92-11Capacityalrve图2-12倒三角加载时层间位移角Fig2-12C∞叩mi∞nofinter-storydriftverticaldistribution由图2．1l可知，标准的钢筋混凝土框架对于倒三角型加载、均匀加载、多振型加载三种加载方式中，倒三角型加载和均匀加载的结果相近，多振型加载的分析结果有一定的偏离。结合目前研究结果，对标准的钢筋混凝土框架结构采用倒三角型加载。 第2章静力弹塑性分析由上图2一12可知，小震作用下，最大层间位移角为1／1087，小于《建筑抗震设计规范》嘲(GB50011．2001)第5．5．1条规定的钢筋混凝土框架结构弹性层间位移角的限制【见】=1／550。所以该结构满足“小震不坏”的抗震设防要求。由上图2．12可知，在中震作用下，最大层间位移角为1／386。由上图2．12可知，在大震作用下，最大层间位移角为1／288，小于《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第5．5．2条规定的钢筋混凝土框架结构弹性层问位移角的限制【吃】=1／50。所以该结构满足“大震不倒”的抗震设防要求。据pushover分析的结果，本结构在小震作用下，结构没有塑性铰；在中震作用下，最大塑性铰转角发生在④轴二层梁左端，其值为-0．001223；在大震作用下，最大塑性铰转角发生在④轴二层梁左端，其值为-0．002282。渤i。lL。一{cb由(a)结构的塑性铰分布(多遇性能点) 北京工业大学工学硕士学位论文(b)结构的塑性铰分布(设防性能点)(c)结构的塑性铰分布(罕遇性能点)一28— 第2章静力弹塑性分析(d)结构的塑性钹分布(极限)图2．13结构塑性铰分布图Fig2-13Plasfichingeprotile2．2．2与时程分析结果的对比本文的时程分析使用HHT-a法‘301。此法为Hilber，Hughes及Taylor：J=1977年提出。其基本公式如下，阻k。+pⅣ+ah+，一眠】+k№+a-。。一伽。】=【，k⋯)(2-28)y。，=％+4flD—yk。+弦。J】(2．29)虬+，=“。+Alv。+At2[厂1／2一属蛔。+肋。+J】(2-30)其中：‘。=口+眇。J-atn=oJ+aAt由上述方程可知，HHT-a法的基本方程式和Newraark法相同，主要差异在于口参数的不同，口参数主要在控制数值阻尼(振幅的衰减)，当口=O时，即为Newmark法，故可视为广义的Ncwmark法。其求解方法除积分常数不同外，其余同于Newmark法。HHT-a法为为算例主要使用的方法其使用的参数则参考文献[30]所建议的值，分别为口一0．1，p=o．3025，7=0．6。文献[30]指出，当口∈[一I／3，O]、∥=(卜口)2／4及厂=(卜2a)／2时为 北京工业大学工学硕士学位论文无条件稳定，且讨论不同参数之稳定性分析，取口一0．1，p=0．3025，y-o．6时为最佳，于4f／2"斗∞时，p(A)-,O．81S，故无法完全截断高频。时程分析的结果见图2．14．罕遇地震楼层问位移角设防地震楼层间位移角多遇地震楼层问位移角图2．14层问位移和层问位移角分布图Fig2-13Conlparisonofinter-storydisplacamlent&inter-storydriftverticaldistnl目ution注：Ipushovef分析结果▲时程分析结果2．3本章小结本章主要介绍了作为一种重要的静力非线性方法中的pushover方法，论述了pushover分析方法的基本原理，实施步骤以及目标位移的确定方法。用时程分析验证了分析结果，时程分析中采用了新的数值积分方法HI-IT-a法。由上述分析得出如下结论：(1)pushover分析中加载方式对结果有一定程度的影响。本章对比了常用的加载方式，得出了适合于钢筋混凝土框架结构的加载方式：第一模态加载。(2)本文给出了pushover分析在设防烈度下结构性能点的确定方法，得出了结构在多遇地震作用下、设防地震作用下、罕遇地震作用下结构性能点处结构的层间位移角。为快速准确地评估结构的抗震性能打下基础。 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准3．1钢筋混凝土框架结构的震害1900～1998年全球自然灾害造成的死亡和经济损失统计表明：地震造成的死亡人数为1850635，占总灾害死亡人数的2．94％，灾害损失为2791亿美元，占灾害损失的30．647％[3”，特别是近些年的大震灾害统计表明，伤亡人数不多，但总的经济损失巨大。震害调查表明，未经抗震设防的框架结构，在6~7度区主体结构基本完好，填充墙轻微裂缝；在8~9度区主体结构局部破坏，填充墙及屋顶突出部分严重开裂或倒塌；在lO度区梁柱严重破坏，少量倒塌，填充墙严重破坏。考虑了抗震设防的框架结构，震害则相应减轻。重视地震灾害的调查和分析，从中吸取以人类的生命和财产为代价换取的经验和教训是非常重要的。钢筋混凝土结构的抗震性能，不但取决于所用钢材、混凝土及其相互间的粘结在反复荷载作用下的物理力学性能，而且还与结构类型、场地条件等密切相关。表3．1列出了国内部分钢筋混凝土框架结构的震害情况。表3．1国内钢筋混凝土框架结构震害状况Table3-1EarthVuakedamageofRCframestructureinChina烈度序建筑物名称和平面高度层数设遭结构特征震害状况号(m)防遇底层，门厅两侧钢筋混凝土墙出现交钢筋混凝土框叉斜裂缝，纵向和l栅29m，地上78架，240mm厚砖，横向内外砖填充墙填充墙，底部三普遍开裂严重；西8层度层门厅两侧设钢北角底层钢筋混凝筋混凝土抗震墙士柱上端破碎，钢筋弯曲；三层和六层框架粱出现竖向 北京工业大学工学硕士学位论文裂缝轴线@五层三个中柱上端破碎，大粱现浇钢筋混凝土下沉400ram，6-8框架；二、四层层大粱折断；砖填及屋面为现浇钢充墙，五层东段坍28m，地上1筋混凝土楼板，塌，五层以上普遍2础8层，地下0其他楼层采用预严重开裂，四层以一层度制空心楼板；空下开裂较轻；五层心砖维护墙(采以上，楼梯闯开裂，用先砌筑墙后浇踏步板和平台梁折筑)断；与东侧六层发生碰撞(缝宽仅40mm)底层柱破坏严重，混凝土酥碎，钢筋唐山第一面粉厂外露；二至四层柱加工车间120m，地上8现浇钢筋混凝土在窗项和窗底水平03圈盔5层度框架，砖填充墙断裂；砖填充墙严度重破坏，普遍出现1．．—锄．—J交叉缝和水平缝，上层破坏较轻钢筋混凝土框框架仅底层东南角架，空心砖填充东段；高柱节点出现斜裂墙，楼板采用预37m，地上78缝；砖填充墙，底制多孔板及4Itll量8层，地下度层和二层严重破40ram厚配筋面I黝。r洲}l层坏，往上逐渐减轻，层，有桩筏板基六层以上无裂缝础-32． 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准主体结构无震害。装配整体式钢筋天津骨科医院楼梯间及隔墙有裂混凝土框架，空产辱34m，地上8缝，三层外墙在窗心砖填充墙；预5缸北8层度下有x形裂缝：沉制多层楼板；筏●．．．．．．．_．·．．．．—"．降缝上半部发生碰板基础撞，外墙上有裂缝7层以上基本完好，天津南开大学主楼50m，地上现浇钢筋混凝土7层以上塔楼严重86口啁lO层，塔框架，砖砌填充破坏，砖墙龟裂，度扯珥楼3层墙窗玻璃破碎，顶层向南倾斜200mm天津碱厂蒸吸塔三层以上全部倒现浇钢筋混凝土7l；!：}量55m，地上8塌，二层局部倒塌，框架，空心砖填13层度剩余部分，砖填充充墙；筏板基础工‘J。●‘J5J墙倒塌或严重破坏主体结构基本完好，三四楼层空心现浇钢筋混凝土砖墙基本开裂，抹8．[凹50m，地上8框架和楼板，空灰剥落，室内烟囱13层度心砖和填充墙；周围空心砖墙出现J．垫：!工桩基础20mm宽的交叉裂缝现浇钢筋混凝土2,4层墙的隔墙出天津海河饭店框架，现浇钢筋9C)聋47m，地上8现细微的裂缝，7混凝土楼板，空ll层度层的隔墙开裂，粉l——斟。璺．—』心砖填充墙，桩刷剥落基础北京民航局办公大61m，地上76装配整体式钢筋主体结构无震害，10楼15层度混凝土框架，1、外墙面个别部位面．33- 北京工业大学工学硕士学位论文陆叠固3段为格形基础，砖脱落，内墙在预2段为筏板基础；制板接缝处裂开，I矗·。●-．1I外墙为预制挂楼梯问普遍发生水板，内墙为木渣平缝，防震缝处发板生碰撞，3段9层项部女儿墙被撞断主体结构无震害；装配整体式钢筋外墙挂板与加气保北京中医医院病号混凝土框架，箱楼43m，地上温层之问裂开：三86形基础；外墙为llI"1nI"1嚆lO层，地层内横墙出现交叉度预制挂板，内墙广一1蟹下一层斜裂缝，二层楼梯L．．t为焦渣空心砖加间端外墙加气混凝配筋带土块斜裂外廊柱身包砖脱落，7、8层内纵墙北京饭店老楼现浇钢筋混凝土破坏严重。出现多41m，地下6框架，陶土空心道交叉缝和水平12峪9层，地下度砖填充墙；箱形缝，伸缩缝处发生一层l曼：!I-．"_J基础碰撞，与中楼相接处的端墙发生局部倒塌3．1．1框架粱、柱的震害框架的震害主要集中于梁柱节点处，总体上说的是柱的震害重于梁，角柱重于内柱；短柱重于～般柱。具体如下：3．1．1．1柱柱是钢筋混凝土框架结构的竖向承重构件，也是抵抗水平地震力的主要构件，柱的破坏对钢筋混凝土框架结构的抗震性能有重要的影响。(1)柱顶的破坏轻则在柱顶有周围水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝，重则混凝土被压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状，如图3．1所示【32l。分析原因是由于节点处于弯矩、剪力、轴力复合作用下，且三者都比较大，柱 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准的箍筋失效，混凝土剥落，轴向力使纵筋压曲．这种震害在高烈度区较为普遍，修复也困难。图3-I柱项的破坏图3-2底层框架柱上下端的破坏Fig3-IColumntopfailureFig3-2Bottoml}mecolumnfailure(2)柱底常见的震害是在离地面lOO--400mm处的周圈水平裂缝。一般由于柱底箍筋较密，震害轻于柱顶【33】【34l，如图3．2所示。1(3)柱身当地震剪力较大而柱抗剪能力不足时，柱身可能出现斜裂缝，如图3-3所示。图3-3柱身的剪切破坏图3-4角柱的破坏Fig3-3ColumnshearfailureFig3-4Cornel"columnfailure由于房屋不可避免要发生扭转，角柱所受的附加剪力最大，另外角柱受双向弯矩作用所受的约束又比其它柱小，所以震害重于内柱，如图3-4所示。框架房屋中如有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些拉梁 北京工业大学工学硕士学位论文时，容易形成肭(日为柱高；b为柱截面的边长)的短柱。短柱的刚度大，所受的地震剪力大，易发生剪切破坏，形成交叉裂缝，如图3．5所示，严重时发生脆性错断[33X351。图3—5短柱的破坏图3-6节点的破坏Fjg3-5ShorteohmmfailureFig3-6Beam-Colunmc0Ⅻ洳筋蛔#3．1．1．2粱一般梁的震害较轻，通常是在梁的两端节点附近产生周圈竖向裂缝或斜缝。这是水平地震的反复作用，在梁端形成较大的变号弯矩，当超过混凝土抗拉强度时，便产生周围裂缝。严重时截面出现塑性铰。当箍筋不足或弯起钢筋不够时，将在梁端出现斜裂缝或混凝土剪压破坏。另外，粱主筋在节点内锚固不足而在反复荷载作用下被拔出的震害现象也比较多。梁的剪切破坏和锚固破坏都属于脆性破坏，应特别注意。、3．1．1．3梁柱节点在地震的反复作用下，节点主要承受剪力和压力，由梁两端的反号弯矩引起节点核心区很大的剪力，使核心区混凝土处于剪压复合应力状态。当节点核心抗剪强度不足引起剪切破坏，表现在核心区产生斜向对角的通长裂缝，节点区的箍筋屈服、外鼓甚至绷断，如图3击所示。当节点区剪压比较大时，箍筋可能未达到屈服，但混凝土被剪压酥碎成块而发生破坏【堋蚓。由于构造措施不当或因贪图施工方便，节点区的箍筋过稀而产生的脆性破坏，或由于交于节点核心区的钢筋过密而影响混凝土浇筑质量而引起的剪切破坏。另外，由于梁柱主筋通过节点时搭接不合理，使结构的连续性难以保证而引起的震害也时有发生。 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准3．1．2填充墙的震害框架结构的砖砌填充墙破坏较为严重，一般7度即出现裂缝。端墙、窗间墙及门窗洞口边角部分裂缝最多。9度以上填充墙大部分倒塌，空心砖填充墙尤为严重。试验表明，当结构的层间位移角达O．02％时，墙面即出现初裂，在地震的反复作用下，将在墙面形成交叉裂缝[蚓。带填充墙的框架，因其抗侧刚度大而受到较大的地震作用，但一般填充墙的抗剪强度较低，因而在地震发生时就可能出现斜裂缝，在随后的反复地震作用下墙面形成交叉裂缝。在大震时，填充墙大部分倒塌。从总体上看，框架结构的下部填充墙破坏重于上部，这是因为框架结构的变形为剪切型，下部层间变形大。墙体与框架缺乏有效的拉结，因此在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。而在框架．抗震墙结构上部填充墙的破坏重于下部。．3．1．3抗震墙的震害‘抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁产生剪切破坏，这主要是由于连梁跨度小、高度大，形成深梁，剪跨比小而剪切变形效应十分明显，在反复荷载作用下形成x形剪切裂缝，而其他部位完好。抗震墙连梁的破坏属于脆性破坏，在设计中如果不能保证梁的强度和延性以避免此类破坏，则对结构抗震是十分不利的。狭而高的墙肢，其工作性能与悬臂梁类似，震害常出现在底部，如目3．7所示。图3-7抗震墙的震害Fig3-7Seismicwallfailure图3-8伸缩缝不足造成破坏Fig3-8Extensioncrackfaiha℃ 北京工业大学工学硕十学位论文3．IA其他震害，3．1A．1共振震害位于较弱地基上的高大柔性建筑物，当结构自振周期与场地特征周期比较接近时，易发生类共振现象，有时即使烈度不高，但结构物的破坏比预计的严重的多。类似现象还可能发生在离震中比较远的建筑上。1972年12月22日，尼加拉瓜的马那瓜发生6．5级地震，17层(带两层地下室)采用框简体系的美洲银行大楼震害轻微，而相邻的15层(带一层地下室)采用框架体系的中央银行大楼却遭到极为严重的破坏，震后的修复费用高达原房屋造价的800,4。其中一个主要的原因是中央银行大楼的结构体系较柔，结构的自振周期与软地基地面运动卓越周期接近，发生了类共振现象p”。3．1．4．2不均匀沉降建于软弱地基土或液化土层上的框架结构，在地震时常因地基的不均匀沉降使上部结构倾斜甚至倒塌。最典型的工程实例是1964年日本新泻地震，因地基的沙土液化造成一栋四层公寓大楼连同基础倾倒了80度。而这次地震中，用桩基支承在密实土层上的建筑破坏较少。1999年9月21日台湾大地震中也有很多因地基液化而导致建筑物倾斜的例子【3sJ3．1,4．3防震缝的震害防震缝两侧结构单元由于各自的振动特性不同，并且防震缝的宽度受到建筑物装饰等要求限制，往往难以满足大震时实际侧移量，这时如果防震缝宽度不够，或局部被填塞，则结构单元之间会发生碰撞破坏。天津友谊宾馆主楼东西段问设有150mm宽度的防震缝，完全满足原抗震规范(TJll．74)规定，仍发生了相互碰撞，造成较重的震害[291，如图3-8所示。3．1■．4竖向刚度突变引起的震害结构沿竖向刚度有突变时，可能使结构在刚度突然变小的楼层产生过大变形，甚至倒塌。对上层抗震墙下层柔性柱房屋、鸡腿式建筑等，地震时容易因底层柱发生剪切或脆性压弯破坏而倒埘”】。美国OliveView医院主楼，1也层为框架，但二层有较多的砖填充墙，3层以上为框架．抗震墙，上刚下柔，刚度相差悬殊，在1971年2月SanFemando地震中，底层发生严重破坏，侧移超过500mm041，如图3-9所示。 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准图3·9框架底层破坏Fig3-9Fraembottomfloorfailure3．1．4．5平面布置不当产生的震害建筑物的平面不规则、质量和刚度分布不均匀、不对称而造成的刚度中心与质量中心有较大的不重合，易使结构在地震时由于过大的扭转反应而严重破坏。如：天津市某建筑平面为L形，1976年唐山地震时产生了强烈的扭转反应，导致角柱严重破坏：东南角柱3层产生纵向裂缝、钢筋外露，东北角柱处基础梁柱节点的混凝土酥裂【391。3．2钢筋混凝土框架结构抗震性能影响因素的分析3．2．1材料的选用单从抗震的角度来讲，作为一种好的建筑材料，应该具备以下性能‘40J：①延性系数高；⑦“强度／重力”的比值大；④匀质性好；④正交各向同性好；@构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能充分发挥材料的全强度。3．2．I．1混凝土混凝土使用最为广泛的建筑材料。根据当前我国现有水平，为保证构件在地震力作用下具有必要的承载力和足够的延性，《高层规程》第6．1．8条和第6．1．9条规定：(1)现浇钢筋混凝土框架的梁、柱和节点，当按一级抗震等级设计时，其混凝土强度等级不宜低于C30，当按二一四级抗震等级设计时，其混凝土强度等级不应低于C20。(2)现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40；框架柱的混凝土强度等 北京工业大学工学硕士学位论文级，抗震设防烈度为9度时不宣大于C60，抗震设防烈度为8度时不宜大于C70。3．2．1．2钢筋钢筋混凝土构件的延性以及低周往复荷载下的后期强度，在很大程度上取决于钢筋的材性。为了保证钢筋混凝土结构具有良好的抗震性能，使用的钢筋应符合下列要求H1l：(1)标准强度大于410N／ram2的各级钢材，而又缺乏试验数据证明具有足够的延性时，不宜在地震区使用；(2)钢筋的极限强度石不应低于其屈服强度石的1．15倍，钢筋的延伸率&不应低于6％；(3)不能使用冷加工钢筋；(4)在建筑最低使用温度下，采用v形槽口的韧性试验来检查钢筋的抗脆裂性试验；(5)采用重复弯曲试验来检查钢筋的应变老化脆裂；(6)检查钢材的化学成分，以保证钢筋具有良好的可焊性；(7)焊接钢筋网仅能用于控制楼板等次要承重构件的收缩。我国规范嘲也对钢筋的力学性能进行规定：按一、二级抗震等级设计的各类框架中的纵向受力钢筋，当采用普通钢筋时，其检验所得的强度实测值应符合下列要求：①钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1．25；其目的是让结构在强烈地震作用下进入弹塑性变形阶段时能够实现：首先，构件中的塑性铰不致过于集中于某一截面，而能够扩大到邻近部位；其次，出现塑性铰的截面仍具有足够的转动能力。这是因为，如果钢筋的极限抗拉强度与屈服强度之比足够大，一旦构件的某一截面出现塑性铰，随着钢筋应变硬化所增加的后背抗力，就可以使塑性铰向其他部位扩展，形成一个塑性区段，从而提高构件吸收地震能量的能力．⑦钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1．3。因为，我国《混凝土结构设计规范》嘲中钢筋的设计强度是指有一定保证率的最低强度，而实际的屈服强度一般都比设计强度高。然而，在考虑抗震设防的结构中，却不希望钢筋的实际屈服强度比设计强度高太多；否则，就有可能改变设计上所期望的构件破坏部位和破坏形态，计算上加以保证的“强柱弱粱”和“强剪弱弯” 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准的要求就更加难于实现．另外，钢筋混凝土由钢筋和混凝土两种不同性质的材料所组成，它们能够共同工作的基本条件是两者之间的粘结力。试验表明，变形钢筋与混凝土之间的粘着力比光圆钢筋约提高1．5~2倍。粘着力的大小不同，使构件的抗震性能出现明显的差异。例如，梁-柱节点试验表明，主筋采用光圆钢筋，滞回性能要比采用规律变形钢筋差得多。在往复荷载作用下，配置光圆钢筋的节点容易产生钢筋滑移，使滞回环线由梭形变成反s形，即出现“捏拢”效应，从而使吸收地震能量的能力大为降低．所以，在抗震结构中，不宜采用光圆钢筋作为纵向受力钢筋。3．2．2构件的抗震性能钢筋混凝土非线性分析的可靠程度在很大程度上取决于结构构件的恢复力模型。钢筋混凝土构件试验表明，结构总的弹塑性交形主要是由关键受力区域(比如塑性铰区)的弯曲变形、剪切变形以及纵向受力钢筋的粘结滑移所产生’的变形组成。随着结构几何条件、内力组成和加载程序的不同，上述三个成分所引起的作用将发生变化。对于剪跨比较小的构件，剪切变形的影响是一个不可忽略的因素。所以，恢复力特性是非线性分析中的关键。构件的抗震性能，主要用反复荷载下的延性来描述。所谓构件的延性，是指构件在破坏前具有明显的塑性变形或其他预兆。近来，多直接用变形能力来表征构件的延性。由于钢筋混凝土构件实际的恢复力曲线十分复杂，所以用于抗震分析的多数是经简化的模型。’3⋯211受弯构件的滞回特性受弯构件是指没有轴力影响，且以弯矩作用为主的梁式构件。此类构件在循环往复荷载下的破坏属于纤维型破坏，即受拉钢筋超过屈服应力后受压钢筋压屈而破坏，因此，构件具有较大的延性。不同研究者的试验均表明，钢筋屈服以前，反复荷载下梁的“力．变形”曲线与单调荷载梁的“力-变形”曲线是基本重合的，滞回环呈稳定的“梭形”，刚度退化较少。而在钢筋屈服以后，由于钢筋的包兴格效应、混凝土裂缝的开张与闭合、钢筋与混凝土之间粘结力的破坏，滞回曲线将出现“捏拢”现象，同时，刚度退化现象亦渐趋明显，如图3一lO。对比试验表明，对称配筋具有较好的延性，耗能能力亦较非对称配筋梁较好。带翼缘T形梁的耗能能力比条件相同的矩形梁大。 北京工业大学工学硕士学位论文—■—■■—■■■■■■————●——■——■■●■■■■—■——■■|■■—■—————■——■■—■■—■■—●—_IIl剪力的存在不利于受弯构件良好地发挥抗震性能。图3．1l为一组对比试验结果，其中(a)为剪力相对较小(剪跨比较小)的梁，在整个试验过程中，滞回曲线基本上呈“梭形”，而剪跨比较大的梁(b)，滞回环则呈现出显著的“捏拢”现象。显然，后者的耗能能力显著低于前者。加密箍筋可以使上述耗能能力增加，但不能完全消除捏拢现象。哆彳-p”．厕雌彩霸、刎矽∥‘‘7物’31．9．o．01O．02生!∥颂f口．OlO．02●t03o．日l57图3．10受弯构件典型恢复力曲线图3一15节点核一G,区P-y曲线‘Fig3-10HysteteticclwcofRCflexuralmemberFig3-15P—ycurveofjoimcore册1．‘’矾I．●仍j．／，》一膨．--／．纱??砷一1．●I／I+。‘#-t．1．韪．．-4．tq“，：．励图3．1l剪力对滞回曲线的影响Fig3-11Influenceofhystere6cctu"v％ond1酬妇3．2．1．2压弯构件的滞回特性压弯构件主要模拟框架或排架柱的受力情况。由于轴力的存在，使构件延性降低，耗能能力减小．图3．12为一组不同轴压比时的试验结果对比。在无轴力情况下，滞回环最为丰满，随着轴压比的提 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准高，滞回环呈现捏拢现象，最终成为所谓“弓形”的滞回曲线。同时，在压弯构件屈服之后，还表现出显著的强度退化和刚度退化现象。位移幅值越大，这种强度与刚度退化现象越剧烈。加密箍筋有助于改善荷载达到峰值以后阶段的滞回特性。采用特殊设计的箍筋形状会有更好的效果。-／rea’—哆碉．慨。‘D百踟一。醚扣。棚图3-12压弯构件的滞回曲线Fig3-12Hystereticonrvesofpressure-bending3．2．1．3受扭构件的滞回特性梁和柱都可能受扭矩作用。纯扭和压扭构件的循环往复荷载试验较少。试验表明，扭矩循环往复作用梁的斜裂缝开展趋势与扭矩单调加载梁相似，纯扭矩构件的滞回曲线呈反s形，压扭构件的滞回曲线则相对丰满。扭矩循环往复作用的结果，使钢筋粘结更易遭受破坏，强度与刚度退化现象显著，如图3．13。与单调受扭相比较，循环往复荷载下的极限抗扭能力略有降低。 北京工业大学工学硕士学位论文5泐32l啼．呷．吒刃嘭砌乒扁4一，q珊-一l—Z4．-l-‘2幻．翻卅，．呷∥氆■／～一埔’-15一曲(a)纯扭构件(b)压扭构件图3．13受扭转构件滞回曲线●7_，Fig3-13Hyster吐icaH嘲ofcompression-torsion3．2．1．4梁柱节点的滞回特性可以从两个角度考虑梁．柱节点的拟静力试验结果。其一是考察柱端(或梁端)位移与外载的关系，图3．14即为强柱弱梁与强梁弱柱组合件的滞回曲线。其二是直接考察外力与节点区间应变的滞回关系，如图3．15。不同的观察角度，可以得出相似的印象，即梁一柱节点的滞回曲线变化过程是从初始阶段的梭形曲线迅速过渡为反S形的曲线。这种情况与节点区的钢筋的粘结破坏、混凝土剪切变形的特点是分不开。由于这些特点，使节点区的耗能能力及延性都相对较差。梁．柱节点这种较差的抗震性能与梁纵筋在节点区内的滑移密切相关。试验表明，在循环往复荷载作用下，节点核心区内可产生两倍于钢筋屈服强度的粘结应力，从而迅速导致粘结破坏，并使梁筋受压一边也迅速转为受拉，导致梁纵筋在节点核心区贯通滑移。这种纵筋滑移破坏了节点．核心区剪力的正常传递，使核心区抗剪强度降低，同时也明显降低了节点的刚度和耗能能力。采用转移塑性铰的办法，可以有效地解决梁纵筋在节点核心区内的滑移问题，从而有效提高节点的耗能能力。 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准Hn‘，穆j-jI●一1．。?·}．．／力●(-)驴一·剜痧．．j黝，L4●”¨(a)强柱弱粱(b)强梁弱柱图3．14粱柱组合件滞回曲线Fig3-14Hystereticcl：irVC8ofbeam-enlmnnsubassemblages3．2．3结构的体型建筑结构的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。反之，建筑布局奇特、复杂，结构布置存在薄弱环节，即使进行精细的地震反应分析，在构造上采取补强措施，也不一定能达到减轻震害的目的。3．2．3．1建筑平面建筑体型中影响抗震性能的首先是平面。各种建筑平面布置的抗震性能比较见表3．1。表3-1建筑平面布置的抗震比较Table3-1ComparisolIofstructuralplanearrangement平面说明好不好口。口匡规则、对称，性能好；不对称不利于抗震肋宜小于3，不应大于4。太长时两端受到口口[二]不同地震运动影响n咕d)不对称的连接处应大，突出部分应小，否则对抗震不利．L／B宜小于1，不应大于2 北京工业大学工学硕七学位论文r—1矧虽然对称，但如两翼过长，则两翼将受到不L_J———1_-J同地震动的影响凸虽然对称，肋宣小于1．5，而不应大于2。工加大，对抗震不利p口l抗侧力结构(剪力墙、简体、壁式框架等)．}口叫厂I口宣对称，不对称则刚度偏心等对抗震不利(1)规则性建筑平面布置应力求规则、简单，应避免采用像T形和L形这样的建筑平面，规范规定[51如下表3．2所述的不规则规定。表3-2平面不规则的类型Table3-2Typesoflayoutirregular不规则类型定义楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)，大于该楼层两端弹性水平扭转不规则位移(或层间位移)平均值的1．2倍凹凸不规则结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30％楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼楼板局部不连续板典型宽度的50％，或开洞面积大于该层楼面面积的30％，或较大的楼层错层该层的侧向刚度小于相邻上一层的70％，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度不规则侧向刚度平均值的800；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25％竖向抗侧力构件不连竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件续(粱、桁架)向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80％(2)对称性国内外震害调查都说明建筑体型对称的重要性。因而各国抗震规范、规程和教课书均提出：宜采用对称的建筑体型而不宜采用不对称的建筑体型。不对称的建筑平面显然对抗震不利，其理由是：首先，不对称会引起质量中心和刚度中心之间的偏心，地震时导致扭转而产生震害；其次，不对称会导致应力集中，特别是凹角处。(3)均匀性建筑平面抗震要求的均匀性主要是结构的均匀性，即主要抗 第3苹钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准侧力结构如剪力墙和筒体等要布置均匀，使建筑物的质量中心与抗震结构体系的刚度中心接近重合，以减小地震时偏心扭转的影响。其中，建筑平面对称而结构刚度不对称，有较大的偏心时，称为虚假的对称，对抗震是不利的，容易引起扭转破坏。典型的事例是尼加拉瓜在马拉瓜的中央银行，15层，高55m，框架结构，楼、电梯间和设备管线的核心筒体也是主要抗侧力结构，布置在一端，刚度很不均匀，在1972年尼加拉瓜大地震中遭到严重的破坏。在平面不对称的结构中，结构刚度的平面布置更为重要，在两个主轴方向均应采取措施使结构的刚度尽量均匀，以减小偏心。特别是对于主要的抗侧力结构(如剪力墙或筒体结构)更应均匀布置，一般应在二个主轴方向的刚度中心接近质量中心。(4)密实性密实性指结构的平面密度。很明显，水平地震荷载是由该水平层的结构来抗御的，结构的平面密度越大，抗震性能一般越高；反之，结构平面密度小则抗震性能低。在钢筋混凝土结构体系中，框架结构、剪力墙结构、筒体结构的平面密度依次增大，抗震性能也依次增大，在国内外历次地震中也得到证实。日本在十胜冲地震以后，通过对关东、福井、十胜冲三次大地震的统计结果表明，框架结构的柱率(柱所占的面积率)较小，震害严重，如有的三层框架结构因底层的柱子均被剪断而塌落。(5)刚度建筑物的刚度大小与抗震结构的平面布置密切相关。刚度大则地震时水平变形小，抗倾覆和抗扭矩的性能好，对抗震有利。3．2．3．1建筑竖向在建筑体型中，竖向的体型同样对整个建筑结构的抗震性能影响比较大，主要体现在以下几个方面。(1)高宽比在建筑地震反应中，建筑的尺寸比例，比绝对尺寸更为重要。因为建筑的高宽比值越大，即建筑越瘦高，地震作用下的侧移越大，地震引起的倾覆作用越严重。巨大的倾覆力矩在柱中引起的压力和拉力比较难于处理。1967年委内瑞拉的加拉加斯地震中，一栋18层框架结构的公寓，地上各层均有砖墙填充，地下室空旷。由于上部砖墙增加了刚度，加大了倾覆力矩，在地下室柱中引起了巨大的轴力，造成地下室很多柱子在中段被压碎，钢筋弯曲呈灯笼状。我国规范[451也规定了钢筋混凝土框架最大的高宽比限制，如下表3．1所示。表3-3钢筋混凝土框架结构高宽比限制．47． 北京工业大学工学硕士学位论文Table3-3Limitvalueofre=inforcedconcreteflllme鲥nlctIIlalheight-widnlratio抗震设防烈度结构级别非抗震设计6、7度8度9度A级5432B级876(2)竖向收进收进体型是建筑几何图形中一种普通的竖向不规则情况，是在建筑物竖向有一个或更多的楼面尺寸突然减小。对于建筑抗震，收进体型是一个综合性的、复杂的刚度和强度不连续的问题。收进的类型可以分为：①一般收进；⑦有倾斜面的复杂收进；⑦倒转收进。各种收进体型的综合抗震性能见表3．2所述。在体型收进的凹角处，刚度突出，应力集中，这是整个建筑抗震的薄弱环节，易产生严重震害。表3-4收进体型的综合抗震性能[441Table3-4IntegrativeseismicbehaviorNecked-inwardbuildingshape质量偏底层地震类型简图刚度连续性抗倾覆心应力对称凸不连续(突变)小好小一般收进不规则凸不连续(突变)大一般对称凸连续小好小复杂收进不规则B连续大一般对称田连续小差大倒转收进不规则口连续大更差更大3．3钢筋混凝土框架抗震性能评定指标评定建筑物的抗震性能首先需要确定结构的性能水平。所谓性能水平是指一种有限的破坏状态，性能水平的确定涉及到结构构件和非结构构件的破坏、 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准建筑物内的物品损伤及场地用途等因素，应综合考虑给定破坏状态所引起的安全、经济和社会等方面的后果，即应全面考虑建筑物内外的人员生命安全、建筑物内财产安全、建筑物的正常使用功能。美国有关部门的研究报告FEMA273[阍、SEAOCVision2000IM、ATC40Iss]和日本建设部建筑研究院的报告㈣规定了类似的性能水平，见表3-5。我国抗震规范规定GB50011．2001规定了建筑结构小震不坏、中震可修、大震不倒三种性能水平。表3-5性能水平Table3-5PerformancelevdaFEMA273SEAOCVision2000Arl：40日本研究报告完全正常使用正常使用立即入住易修复生命安全防止倒塌接近倒塌结构稳定综合国外的性能水平与我国规范，本文把建筑结构的性能水平分为三个⋯即使用良好、人身安全、防止倒塌。在一定的强度水准的地震作用下，这三个性能水平分别对应于主体结构处于弹性阶段、弹塑性阶段(仍具有承受重力荷载及水平作用的功能)和弹塑性阶段(仅能承受重力荷载)。基于性能的结构抗震设计的目的就是控制结构的地震风险在一个可接受的限度内，而地震风险则取决于结构所受到的给定烈度地震发生的概率及该地震引起的结构破坏损失。FEMA273、SEAOCVision2000和ATC40规定了类似的地震风险水平，见表3缶。日本建筑研究院的研究报告指出，应根据过去的地震记录、活动断层情况、场地构造、该场地过去发生的主要地震的强度和频率特性，选择若干适当的地震动加速度(或一定重现期的地震荷载)。我国抗震规范GB50011．2001规定三种地震风险水平(50年)：小震(63．2％)、中震(10％)、大震(2％q％)。表3-6地震风险水平Table3-6EarthVuakerisklevel 北京工业大学工学硕士学位论文50％／30拒50％／50焦50％／50燕50％／50焦20％／50焦100／#50焦10％／50焦10％／50钽2“／o／50年lO。／W100年5％／50芷目前，针对钢筋混凝土框架结构抗震性能的评估指标还没有形成统一的认识，《建筑抗震鉴定标准》(GB50023．95)[61仅仅是对结构进行的构造鉴定和必要的承载力验算，属于定性的评估，具有一定的经验性、主观性。我国学者也对可以量化的钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估指标进行了研究。汪大绥等【19】应用顶点位移、层间位移角、构件的局部变形，作为结构的抗震评估指标。田颖等【ls】提出使用顶点位移角、层间位移角、位移延性比、塑性角分布、杆件塑性变形、损伤指标等参数评估钢筋混凝土框架结构的抗震性能。陈伏立【拍】提出使用底部剪力．层位移关系曲线、层问剪力和位移位移角、结构塑性铰的出现顺序以及最终的破坏形式、修正的Park&Ang损伤指标。不同的指标并没有互补性，并且统一结构使用的评估指标之间很多有重复之处，并不能很好地评估框架结构的抗震性能。3．3．1层间位移角由于建筑的行为水准(Performancelevelordamagelevel)与结构变形的关系比其与受力的关系更为密切。比如，钢筋的受拉断裂主要是受其极限拉应变控制，约束混凝土的受压破坏主要受其极限压应变控制，墙板的开裂可以根据其横向位移角的大小来控制等等，并且钢筋混凝土构件屈服后的抗剪强度与构件的变形也有很大的关系，也就是说建筑结构在设计地面运动下的变形值一般可以很好地体现建筑结构的行为水平。1976年以后修订的各国抗震设计规范(或规定)，其中86％明确提出了控制变形的要求，反映了抗震设计发展的趋势。在罕遇地震作用下，钢筋混凝土结构主要是依靠本身的弹塑性变形来吸收和耗散地震输入的能量。如果结构的变形能力不足以抵抗地震输入能量对结构变形的要求，结构将可能发生倒塌。迄今为止提出的许多评判结构是否倒塌的指标中(比如变形、能量和低周反复疲劳等指标)，没有一个能全面反映结构在地震作用下的倒塌现状。从工程使用角度，一般是采用结构或构件的极限层间 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准位移角的某一统计值作为评判结构是否可能发生倒塌的阈值。对于钢筋混凝土框架结构，由于节点域基本上能保持在弹性阶段内，层间位移角是该层各梁、柱弹塑性变形的综合反映，基本上能够衡量梁和柱的破坏程度。文献[40l对一批工程实例的弹塑性地震反应计算表明，最危险楼层的层闻最大位移角，一般均大于同一楼层中最危险杆件的位移角。此外，在框架体系之类的剪切型结构中，各楼层的层间侧移基本上是相互独立的。所以，采用层间位移角作为钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估指标是合适的。试验研究明，层间位移角能够反映钢筋混凝土框架结构层间各构件变形的综合结果和层高的影响，而且与结构的破坏程度有较好的相关性。对于主体结构采用层间位移角作为评价指标；对于机械、水电等其它的非结构构件采用力作为评价指标。这是因为：(1)采用层间位移角作为结构性能水准的评价指标，可以与我国颁布的《建筑结构抗震设计规范》(GT350011．2001)相联系。新的《建筑抗震设计规范》规定了各类结构的弹性层间位移角和弹塑性层间位移寅乳，因此，采用层间位移角作为结构性能水准的评价指标可以建立在新规范的限值之上，不需要作很大的转换与计算，使用方便；(2)对结构的设计方案进行分析时，层间位移角是一个容易得到的参数，可以使分析与设计的过程简化；(3)层间位移角与结构的层问位移、层间位移延性、结构的整体位移、结构位移延性都有很清楚而且简单的转化关系，很容易从结构的各个方而了解结构的各种性能；(4)结构的整体变形是结构各构件变形的综合结果，限制结构的层间位移角，相当于控制每一层结构的各构件的变形水准，避免出现变形集中于某一层和某些层的情况；(5)吕西林等【”】认为没有必要对装修级别较高的建筑规定较小的层间位移值。另外，对合理设计、精心施工的建筑非结构部分，可以不从变形出发，而考虑非结构的受力，验算其是否满足强度的要求。当结构主体的性能水准己经确定后。相应的地震作用一也是可以得到的，此时可以求出非结构构件的受力指导设计。因此，对非结构构件采用力作为评价指标也是合理可行的。对结构的极限位移角的定义，目前还没有统一的标准。常用的定义方法有以下两种冈：一种是以P一4骨架上承载力下降至讲"黼时所对应的变形△∥作为构件的变形；另一种是重复循环时承载力的退化率(即某一延性比下第二次循 北京工业大学工学硕士学位论文环所能达到的最大荷载值与第一次循环的最大荷载值之比)低于某一限值时所对应的变形△Ⅳ作为构件的极限变形。对于第一种方法，口得取值取决于结构保持稳定对承载力降低的容许程度或构件对破坏的容许程度。对砌体结构、钢筋混凝土梁柱节点区和剪跨比小于l的钢筋混凝土墙，由于P一4曲线在承载力达到最大值后下降很快，甚至失稳，一般可取口=J；其他钢筋混凝土构件的口值可根据变形能力取O．8．-O．9之间的某一值。目前我国的建筑抗震试验规程中规定口=0．85，从本质上讲仅适合于以弯曲变形为主的构件。原则上讲，作为罕遇地震下结构抗倒塌验算标准的弹塑性层间位移角限值应该取所验算的结构类型中变形能力较差的构件的极限位移角的下限值或某一具有较高的可靠度的值。然而，许多实际结构是由各种类型的构件组成的具有多到抗震防线的超静定结构体系，比如框架．墙，框．筒，和多肢墙等结构，在罕遇地震作用下，这些结构中各构件之间存在着较大的内力重分布，部分构件达到其极限变形或破坏并不意味着结构一定会发生倒塌。从部分振动台试验的破坏现象发现，在相当于罕遇地震的加速度输入下，框筒结构模型中多数柱子的压溃并没有造成整体的倒塌。因此，以构件的极限位移角来确定结构的层问位移角限值，具有较高的可靠度。钢筋混凝上框架结构的层间位移角是楼层梁、柱、节点弹塑性变形的综合结果，而影响结构层间位移角的因素很多，包括梁柱的相对强弱关系、配箍率、轴压比、剪跨比、混凝上强度等级、配筋率等，其中轴压比和配箍率是最主要的因素嘲，其对变形能力的影响应进一步研究并加以细化，而在规范中则可以用表格或曲线的形式来体现这两个因素对容许变形值的影响。地震时结构的侧移特别是层间侧移的大小，是关系到建筑物破坏程度的决定性因素，在建筑物抗震设计中，能否有效控制结构的侧移也是检验结构抗震性能的重要指标．层间位移角是指某层的相对位移与层高的比值。计算公式如下：只：坐：毕(3．1)’^啊其中：只一为层f的层问位移角；％、“。l一为层i、i-1的侧向位移；．52． 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准△ll，一为层f的层间位移；JI广-为层f的层高。一个多层或高层建筑结构在水平力作用下的总水平位移为楼层的剪切位移与结构的总体弯曲变形产生侧移之和，即磊=彤+01_，hl(3-2)其中：点一为楼层位移差(或称名义层间位移)；群一为楼层问构件的弯曲和剪切变形发生的侧移；B。一为下一层楼面由于结构总体的弯曲变形产生的转角；hi一为楼层的高度。结构的整体弯曲和基础转动所引起的侧移是影响结构稳定的一个重要因素。因此，在验算结构的顶点位移时必须加以考虑。然后，造成楼层结构构件tv及非结构构件损坏的位移一般是群，因此用于层问位移验算的结构位移应该是指群而不是4。对于变形以剪切型结构，最与露之间的差异随着楼层位置的提高将变得越来越大。3．3．2塑性铰转角塑性铰最初是针对理想弹塑性材料提出的，它是非弹性变形集中产生的点，也就是说非弹性转角是集中在结构构件的一个断面上。对于钢筋混凝土这种非理想弹塑性、非线性、又非匀质的复合材料而言，其塑性铰的性能与理想塑性铰有着显著的不同，它与钢筋的种类、配筋率的大小，截面的形状、荷载的形式和位置，混凝土的极限变形等密切相关，它的特点不是集中在一点，而是分布在一定的长度上，形成塑性铰区。人们一般把钢筋混凝土结构的塑性铰划分为二种或三种形式：(1)以受拉钢筋首先达到流限为标志的弯拉铰，亦称为钢筋铰或拉铰。(2)以受压区混凝土首先达到其极限压缩变形，而受拉钢筋尚未屈服为特征的弯压铰，亦称为混凝土铰或压铰。(3)有显著发展斜拉裂缝的弯剪铰。 北京工业大学工学硕士学位论文对结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形验算，目前一般是简化为层间弹塑性变形验算，因而大多数规范给出的容许变形值一般是层间弹塑性位移角限值。结构的整体倒塌或局部倒塌，往往是由于个别主要抗侧力构件在强烈地震下的最大变形超过其极限变形能力所造成的。因此，弹塑性变形验算的变形限值，除了层间位移角限值外，尚应规定那些弯曲起控制作用的构件的截面塑性铰转角限值，以避免个别构件的塑性铰转角过大而引起的结构局部倒塌的情况。文献【191也指出使用构件的局部变形即梁柱等构件的塑性变形来评估结构的抗震性能。从工程实际角度看，实际结构构件的延性是有限的，塑性铰不可能无限发展，分析后需要检验塑性铰的转角，限制在一定范围内，以与实际工程结构相同．ATC-40将房屋遭受地震后，可能出现的状态主要分为IO(ImmediateOccupancy)、DC(DamageCon协oD、LS(LifeSafety)、SS(StructuralStability)四种状态，可解释为‘立即居住’、‘损坏控制’、‘生命安全’和‘结构稳定’。ATC--40给出了梁、柱、墙等构件在上述几种相应状态下的塑性限值，无论何种类型铰，都可以用图3．16表示，纵轴表示轴力、弯矩、剪力等，横轴表示轴向变形、曲率、转角等，其中B、Io、LS、CP(CollapsePrevention)、C为性能点，其中B点出现塑性铰，c点为倒塌点，CP为预防倒塌点，各性能点所对应的横坐标为相应的弹塑性位移限值。图3．16在不同性能水准下的塑性铰位移限值 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准Fig3-16Deformationlimitationofplaatichingesatdiffe目reatpeffoEflllan∞level现行抗震规范151还没有对对于构件的局部变形(塑性铰转动角限制)。影响塑性铰转动能力的主要因素是f、‘和％，至于其他条件的作用可以这三种因素来反映。如配筋率、截面高度、材料的种类等可以反映在掌中；％则可包括混凝土标号以及所受约束条件等的影响，在实用上，F。宜根据设计条件和结构物所要求的延性等级来确定，‰至少应大于0．0035：‘则可反映剪跨比，截面高度等因素。3．4钢筋混凝土框架抗震性能评定标准3．4．1层间位移角限值建筑规范中对于不同结构类型层间位移角限制的取值是基于以下三方面的研究：①试验数据的统计分析；⑦有限元分析；⑦实际工程计算数据的统计分析。在框架结构中，由于柱子承受弯、剪、压的复合作用，其变形能力一般比梁差。因此，框架柱的塑性变形能力在很大程度上决定了框架结构抗震性能的好坏。规范采用1／50限值实际是50个剪跨比大于2．5的柱试件的极限位移角的下限值[521。根据UBC／EERC91年对大量试验数据的统计结剿531，剪跨比大于2．0的极限位移角也几乎都大于1／50。这种以构件试验值下限作为框架结构的变形指标可以说是偏于保守的，因为①由于试验设备的陈旧及人为因素的影响，有部分试件明显还未达到最大变形能力就终止了记录；⑦有少数试件是为了研究某一参数对构件总体性能的影响而有意设计了较劣参数，而这种构件在实际工程中一般不会出现。即使是那些具有较小剪跨比或较大轴压比的柱试件，也具有较大的极限位移角，比如文献[541的lO个试件中多数发生了剪切破坏，最小的极限位移角也有1／30。实际上，框架结构的层间位移角是楼层梁、柱、节点弹塑形变形的综合结果，因而采用梁．柱组合试件的试验结果能比柱试件更合理地反映框架结构的层问变形能力。根据文献【53】对36个梁-柱组合试件极限位移角的统计结果，其极限侧移角的分布区间[1／27，1／8]，其中94％的试件的极限位移角在1／25以上。 北京工业大学工学硕士学位论文我国抗震规攒51，规定钢筋混凝土框架结构的层间位移角的限制；弹性变性为1／550，弹塑性变性1／50。FEMA273[16】建议钢筋混凝土框架结构的层间位移角为立即入住是1％，生命安全是2％，防止倒塌是4％。Wen和Kangt55】把结构的破坏状态分为7个等级，并采用结构层间变形作为评估指标，如表3．8。邓小刚‘硎按照我国实际工程震害分析的习惯，将结构破坏程度划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、及倒塌五个等级，给出了钢筋混凝土框架结构层间变形与五个破坏等级的对应关系，见表3-9。梁兴文【5刀等提出三个性能水平对应的层间位移角限值可分别取为：建筑结构使用良好，例=1／500；保证人身安全，[e1--1／200；防止结构倒塌，[ol--1／50(对普通钢筋混凝土框架结构)或M=1175(对异形柱框架结构)。规范瞪3规定钢筋混凝土框架结构弹性层间位移角的限值为[0]=1／500，弹塑性位移角的限值为[01--1／50。美国“NEHRP关于建筑抗震加固导则”推荐的建筑结构性能的变形容许指标如下表3-lO。表3．8破坏状态与层问位移角的关系Table3-8Destnlctivecondition-storey-srift-anglerelationship破坏等级破坏状态层间位移角I完好5．O％表3-9结构破坏等级与层间位移角的关系Table3-9SlructuredesmJctivegrades—storey-srJR-anglerelationshipl基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌lI(i／5001／500一1／250l／250一1／1251／125～1／50>l／50I表3．10NEHRP建议的结构性能变形容许指标 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准Table3-10NEHRPcommendedsmlctm℃capabilitydeformationindex结构各个性能水平下的抗侧力构件容许位移角结构类型变形状态暂时居住人身安全防止倒塌振动过程变形IIl00l，50l／25混凝土框架永久变形可忽略1／1∞l／251971年美国圣费南多地震中，洛杉矶的一些建筑取得强震记录的实际结构的位移角和震害情况见表3．1l。表3．1l结构层问位移角和震害Table3-11Storey-srifl-angle—seismicdamagerelationship记录高度平均层间位移角建筑物名称震害(m)rad(10-，)Millikan图书馆(9层钢筋混凝土框43．92．6粉刷轻微裂缝。“架)假日旅馆20．O12．O结构轻微损坏，非结构破坏较重，(7层钢筋混凝土框12．O14．0损失为原造价的11％架)合众国银行63．43．7非结构轻微破坏(42层钢框架)李培林144]根据各国规范容许变形的取值以下以及国内外的试验资料和震害经验，对于钢筋混凝土结构，层间容许变形值如下表3．12所示。表3．12层间位移与层高的限制比值Table3-12Limitvaluesofinterlayerdisplacement·heightofthefloorratio结构类型限制非结构较大损坏限制结构中等破坏限制结构极限破坏框架及填充墙框架1／500l／200，1／15001／100，1／500框架抗震墙及抗震墙1／500I／300，l／2500l／200，l／1000注；①框架柱全截面主筋率不少于2．O％时取上限值；o框架柱剪跨比不少于2且箍筋约束作用良好时取上限值；o抗震墙抗剪强度与抗弯强度的比值不少于1．1时取上限值。-57- 北京工业大学工学硕士学位论文文献侧利用结构分析软件SAI"84(Version4．0，1994)，采用平面应力九节点单元对RC抗震墙、填充墙框架及纯框架在多种受力状态下的应力分布及变形进行了弹性分析计算。计算结果表明：(1)填充墙框架的开裂侧移角比纯框架的开裂侧移角小许多。(2)增大柱子的轴向压力可以在一定程度上提高层间开裂位移，但轴向压力的增加必须受到混凝土抗压强度的限制。(3)填充墙框架的计算开裂侧移角平均约为1／2000；纯框架的计算开裂侧移角平均值约为1／800。文献【5卅统计了34栋建筑，得出的层间位移角的限值如表3．13：文献[60l给出了部分实际结构在不同地震作用下的层间位移角统计结果，如表3．14所示。表3．13不同建筑最大层间位移Table3-13Differentstructural$torydriftallowablevalue控制值满足要求的栋数所占比例(％)1／75025．9l，700411．8l／5501441．2l，5002676．5●1／4502985．3l／40034l∞表3．14实际结构层间位移角统计结果Table3-14Storey-stiff-angleofactualstructures结构小震中震大震四层三跨框架㈣0．00183O．00548O．0154九层三跨局部七层∞】O．00132O．00861O．0242单跨八层口目O．ooll40．00386O．0110两跨十五层洲0．00085O．OD254o．0074三跨九层鲫O．00085，0．00293O．0092三跨十二层㈣O．O007l0．0020lo．005l因此，本文建议钢筋混凝士框架结构采用的层间位移角的评估标准如表 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准3．15所示。表3．15本文建议的层问位移角Table3-15Storey-srit＆-anglecriteriaadvisedbythispaperf结构类型大震中震小震I钢筋混凝土框架l，45，l，55l／200，1／1501／550，1／450l注：标准采用区间的表达方式，以利于工程师根据实际情况合理选取标准上下限。3A．2塑性铰转角限值同济大学对受弯构件试验研究所测的塑性铰的极限转角分布NN为[o．023，O．0381，平均值O．030。文献151】对六个弱梁型梁柱组合件试验，测得的塑性铰转角分布区间为【O．019，0．033]，其最小值为O．026，平均值为O．0296，并且考虑一定的安全储备，给出了框架柱端的极限塑性铰转动的限值，如表3．16。对较高轴压比框架柱的研究结果，框架柱塑性铰转动产生的位移约占总位移的55％，因此框架柱的塑性铰转动的限值严格地讲应该比层间位移角小。’表3-16框架结构粱和柱的塑性铰转动角限值(Rad)Table3-16Limitvaluesofframestructurebeamandcolumnplastichingeangleofrotateon框架柱框架粱构造情况性能水平构造情况性能水平N／Acf。箍筋可修不倒塌M／Vho箍筋可修不倒塌一般O．020一般O．025≤O．42一-3特殊O．025特殊0．0300．0100．015一般0．010一般0．0300．8-0．9>4特殊0．015特殊0．035>0．9特殊O．0050．010≤2斜向0．0080．015注：o“一般”，对柱是指按规范构造，对梁是指按抗震等级三、四级的构造；o“特殊”，对柱是指按规范上限且全长加密或采用螺旋箍筋等特殊措施；o表中数据允许线形插值。文献【61】根据实测的曲率和位移，推出构件的塑性铰长度厶，其指表示在表3-17。在确定塑性铰长度时，极限曲率和极限位移都以最大荷载持续到开始卸载时的实测数值为准。表3．17种所列的塑性铰区长度0是指构件在弯矩区段一 北京工业大学工学硕士学位论文侧内的扩展长度，其值并不包括等弯矩区段的长度。表3．17塑性铰区长度Table3-17Lengthofplastichinge试件f加载方式易t：o附注L3-20．082受弯4．700．26413-3o．03l受弯12．9o．729L3-4O．204受弯3．柏O．193L3-50．094受弯6．400．366L3．6O．316受弯5．600．316L3-70．109受弯4．400．259L3—80．388受弯4．40O．25l‘L3-90．281压弯7．800．45lL3一lO0．547受弯0．700．040界限配筋L3．1l0．355压弯4．00．0．238L3-120．769受弯0O超筋L3-131．035受弯0超筋L3-141．135受弯O超筋L3一15I．133受弯O超筋L3．16O．069受弯6．700．387L3-17O．071受弯7．500．444从上表可见，塑性铰长度除个别试件L3．3外，一般约在(115-112)hD范围内变动，平均值约为113ho左右。同时，本项研究结果也表明，即使存在轴力情况下，塑性铰区的长度也并不大。同时，还根据试验结果得出塑性铰转交的经验公式：0，=1／(65+1000掌)皓≤D．5)(3—3)截面的塑性铰转角采用式(3-4)计算：leP1=9●P=《9。一Ipy)lp(3-4)其中：吃一塑性铰转角； 第3苹钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准略一屈服曲率；仇一极限曲率。文献【圃给出：吼=轰@s，仇=鱼(3-6)文献【611给出了纺、％的经验公式：9r=忙P+(0．45+2．|薯xlO‘3j丹吣仇=，s。+历了1否面讹Gd／2O．0030O．OlO．20．00150．00200．0030O．005iii抗弯控制粱柱横向配筋≤O．OC≤3O．02O．030．2O．0050．015O．020．03≤0．0C≥60．0160．024012O．0050．0120．016O．024≥O．5C≤30．0150．025O．20．0030．0120．0150．0180．025≥O．5C≥60．012O．020．2O．003O．ol0．0120．013O．02≤O．ONC≤3O．0060．015O．2O．005O．0060．010．015≤0．0NC≥60．0050．012O．2O．0050．0040．0050．0080．012≥0．5NC≤3O．003O．Olo．20．002O．002O．0030．OD60．0l≥O．5NC≥60．0020．008O．2O．002O．005O．008iv抗剪控制柱所有情况0．0300．040注：1．当对于给定分量，发生i，ii、jii、iv中不止一个情况时，使用表中适当的最小值。2．在标题“横向配筋”下，“C”和“NC”是符合和不符合的缩写。一个分量是符合的，若闭合箍筋间距≤d，3，且对于中等和高延性要求的分量，由箍筋提供的强度(圪)至少为设计剪力的3／4。否则，此分量被认为不合格。3．允许在表中值间的线性插值。表3-20FEMA356非线性分析模型参数和容许准则一弯曲控制Table3-20NonlinearanalysismodelandlimitvaluecontrolledbybendinFEMA356．63． 北京工业大学工学硕士学位论文建模参数容许准则塑性转角(弧度)残余塑性铰转角弧功能等级条件强度度分量类型比IO主次abCLSCPLS凹iii剪力墙连梁纵、横向配筋具有符合横向≤30．0250．050O．750．010O．020．025O．050配筋的通常纵≥6O．020．040O．50O．0050．0100．020O．0200．040筋具有不符合横≤30．0200．0350．50O．0050．0120．0200．035向配筋的通常≥60．0300．0500．800．0060．0180．0300．050纵筋本文建议采用表3．16中所建议的方法作为塑性铰转角的指标。3．5薄弱楼层的判断建筑结构在强烈地震作用下，均会形成薄弱层，使结构在地震作用下，变形集中于薄弱层，容易造成结构较严重的破坏。《建筑抗震设计规范》规定钢筋混凝土框架结构在罕遇地震作用下，需进行薄弱层的条件为：①抗震设防烈度为7、8和9度；②楼层屈服强度系数小于O．5。楼层屈服强度系数是指按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值。薄弱楼层的判别可以从下列几个方面之一进行判断确定：①结构各柱截面、纵向配筋、混凝土标号均相同时取层高最大的楼层(一般为结构的底层)；⑦在柱截面变化的结构中，截面开始变小且配筋减小的楼层； 第3章钢筋混凝土框架抗震性能评定指标与标准④不符合上述情况时，可把结构的底层视为薄弱层。，薄弱层是一个相对的概念，一个结构并不是只有一个薄弱层，有时又多个或连续几个薄弱层。一般情况下薄弱层的判别有如下原则：①最大层间位移、最大有害层问位移所在的楼层；②层河位移、有害层间位移超过规范限值的楼层；@结构构件塑性铰、剪力墙破坏点比较集中的部位；④结构局部变形较大的部位；@结构弹塑性反应突变的部位。本文在pushover分析的基础上，以上述原则判定结构的薄弱楼层，具体表现为层间位移角较大的楼层以及塑性铰分布集中的楼层。3．6本章小结(1)本章总结了钢筋混凝土框架结构的震害特征，以作为后续pushover分析的验证。‘(2)本章从材料、构件、结构体型三方面分析了钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响因素。(3)明确提出使用层间位移角附加大震下塑性铰转角为钢筋混凝土框架结构抗震性能评估的指标。，(4)在总结试验数据的基础上，结合有限元分析，并参考部分实际工程的计算数据，提出了层间位移角以及塑性铰的评估标准。(5)提出使用层间位移角以及塑性铰的分布来定性地评估结构的薄弱层，并与使用楼层屈服强度系数为指标的评估相对比。 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用4．1Pushover法评定既有钢筋混凝土框架的抗震性能4．1．1既有钢筋混凝土框架的特点为了对建筑物的承载能力和安全性进行评估，必须先对材料、结构的老化与损伤状况进行检测，且检测数据准确与否对评估的可信度起着非常重要的作用。在取得了在役建筑物的有关实验数据后，对结构进行复核计算分析是评定其安全性和抗震性能所必需的。现有的计算方法和计算机程序基本上和还是基于新建建筑设计规范中的力学计算方法，难以反映旧建筑的力学性能。如一般的计算程序是基于构件的弹性状态，而不能评定结构构件子在经历加载、卸载和再加载所产生的应力应变的老化，也不能够反映构件材料的老化，损伤状况。既有建筑结构是一个客观存在的实体，结构上的作用有着与拟建建筑结构所不同的显著特点。首先，既有结构的使用历史可以为人们分析荷载情况提供大量信息，如已服役期间结构所承受的最大荷载，可以用来推断继续使用期问可能出现的最大荷载。再次，既有结构的构件几何尺寸和材料密度等理论上可以通过现场实测获得，也就是说，既有结构的结构自重具有可测性。此外，结构使用期内可能出现的可变荷载最大值与结构的基准期直接相关，既有结构的基准期(目标使用期或剩余使用寿命)往往不同于拟建建筑结构设计时采用的设计基准期(50年)，因此既有结构与拟建结构的可变荷载标准值理论上应有所不同。4⋯111永久作用结构和构件自重的标准值应根据构件的实际尺寸和材料或构件单位自重的标准值计算确定，常用材料和构件的单位自重标准值，可按《建筑结构荷载规范》(GB50009．2001)取值。对自重变异较大的材料或构件(如现场制作的保温材料、混凝土薄壁构件等)，以及现行荷载规范未作规定或有理由怀疑规范规定值与实际情况有出入时，应现场抽样实测确定永久荷载的取值。根据《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292．1999)的有关规定，现场抽样检测材料或构件自重的试样应不少于5个。当永久荷载的效应对结构不利时，材料或构件 北京工业大学工学硕士学位论文自重的标准值应根据实测试样自重的平均值和标准差取其上限值，即g削I+缶口s(4-I)式中：敫一材料或构件自重的标准值{以、吒一材料或构件自重实测结果的平均值和标准差；开一试样数量(样本容量)；k一考虑抽样数量影响的修正系数，详见表4．1。表4．1考虑抽样数量影响的修正系数Table4-1CarreetionfactorOnsampling力56789101520253040≥60七2．132．021．941．891．861．801．761．731．7l1．701．681．67当永久荷载的效应对结构有利时，材料或构件自重的标准值应取其下限值，即gt=／．ts一车％㈣)一忑os峥z】4．1．1．2可变作用《建筑结构荷载规范》(GB50009．2001)中可交荷载的标准值是在假定建筑结构的设计基准期为50年的前提下统计制定的，但在抗震评估中，设计基准期应改为目标使用期或剩余使用寿命。考虑在役结构的抗震评估与拟建建筑物结构设计的不同，可变作用应根据目标使用期内的建筑功能由《建筑结构荷载规范》(GB50009．2001)确定后，按国家标准《建筑结构可靠度设计统～标准》(GB50068．2001)有关原则考虑目标使用年限的影响。张伟平[671等对不同目标使用期下楼面活荷载和基本风压、基本雪压的标准值取值进行了研究，并给出了修正系数，如表4．2所示。 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用表4-2不同目标使用期下楼面活荷载及基本风压、基本雪压的修正系数Table4-2Colre6fionfactoronfloorliveload,balicwindlxeuureandbasic8nowpre∞meinthedifferenttargetpefiodofusage目标使用期(年)102030405060708090100楼面活荷载修正系数O．85O．92O．950．粥1．01．Ol1．031．051．061．07基本风压修正系数0．740．87O．9lO．961．01．02L061．071．091．1l基本雪压修正系数O．50．75O．85O．951．O1．I1．151．211254．1．1．3地震作用抗震规科习地震区划图上只给出了各城镇基于50年内10％超越概率的抗震设防标准。抗震评估时可以根据建筑物所在地区、场地土类别、结构类型、结构重要性等确定抗震设防基本烈度，然后考虑目标使用期的影响进行调整。周锡元等根据现行抗震规范中考虑的三个概率水准的设防烈度之间的平均相互关系，提出一种可以用于估计不同目标使用期内超越概率相等(10％)的情况下结构抗震设防烈度的建议方法，表4．3给出了结构基本烈度在7~9度时不同目标使用期下结构抗震设防烈度的计算结果。表4-3不同目标使用期下抗震设防烈度的取值Table4-3Seismicintensityinthedifferenttargetpe．odofusage目标使用期(年)l51015205010015020074．335．425．886．106．377．oo7．497．788．01基本烈度85．336．426．887．107．378．008．498．789．Ol95．727．417．958．298．489．009．299．439．514．1．2新建钢筋混凝土框架的特点由于我国绝大部分地区都要考虑抗震设防，所以地震作用是绝大多数结构设计时要考虑的重要荷载，对于很多结构还是主要控制作用。因此，如何快速评估结构在地震作用下的性能，发现结构的薄弱层及薄弱构件，显得非常重要。本文所提出钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估方法同样适用于新建结构设计阶段，在交换式设计基础的基础上，还可以方便地评估改进后的结构的抗震性能，有利于有效地改进结构抗震设计。 北京工业大学工学硕士学位论文4．2钢筋混凝土框架结构的评估流程4．3工程应用4．3．1工程实例一4．3．1．1工程概况本工程为现浇钢筋混凝土框架结构，除西面局部为三层外，其余为五层。考虑8度抗震设防，设计地震分组为第一组，(资料上仅仅说明：地基为黄土状 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用亚粘土。本次计算按照2类场地)特征周期TtfO．35s。结构的平面图和剖面图如下图4．1和图4．2。图4-1结构平面图Fig4-1Structuralplanes·量写图4-2结构剖面图Fig4-2Structuralprofilechart．71． 北京工业大学工学硕士学位论文f7爿～f刊—＼7／＼畦三固量_——＼黔_——S<——S二_一≤≮嬉霪。一二=1笔弋i。一—，～k—仉．“爿1r图4_3结构三维图Fig4-33Dcalculationmodel4．3．1．2工程实例一分析结果本工程采用结构通用有限元分析软件SAP2000，分别进行了x和Y方向的pushover分析，分析的过程中使用模态加载，参考ATC-40(美国应用技术委员会AppliedTechnologyCouncil)中的方法，结合我国规范确定结构在大震、中震和小震对应性能点。其中用到的G对应的物理意义是有效峰值加速度，而G代表一个周期为ls、阻尼比为5％的振子的反应最大值。参考图4-4(SAP2000使用的反应谱曲线)及图4．5(我国现行建筑抗震设计规范中规定的水平地震影响系数最大值)，由式(4-3)和(4_4)确定：，12a一=2．5C4(4-3)‘=￡=q／zsco(¨)本工程用到的G和G分别是对应与大震(O．36，0．315)、中震(o．18，O．16)和小震(O．064，0．056)。 第4章PBghover法在钢筋混凝士框架结构抗震性能评定中的应用2．5已O．2站五图4．4程序中的反应谱’Fig4-4Responsespectruminsap2000Hf)图4-5我国建筑抗震设计规范的水平地震影响系数曲线Fig4-5SeismiceffectcoefficientcurveofCodeforSeismicDesign(Chinese2001)寻找地震需求与结构承载力供给之间的关系之前，须考虑结构非线性耗能性质对地震需求谱的折减。当地震作用于结构，达到非线性状态时，结构物的固有粘滞阻尼(ViscousDamping)及滞回性能(HystereticDamping)会导致结构物在运动过程中产生消能的作用，如图2-3所示。滞回阻尼及固有阻尼 北京工业大学工学硕士学位论文(InherentDamping)可用等效粘滞阻尼(EVmv缸entViscousDamping)来评估，如下式所示：p《=po+o．os(4-5)式中：氏一等效粘滞阻尼；0．05．．结构本身固有的粘滞阻尼；屁一滞回阻尼经计算得到的等效粘滞阻尼，有以下公式评估。善=鑫c拍，式中：点0一结构单周期运动阻尼耗能，等于由滞回环包围的面积，即平行四边形的面积；岛一最大的应变能，等于阴影斜线部分的三角形面积。如图2-3为韧性结构物的滞回环，但在某种情况下并非如此完美，ATC利用匿来体现此问题，表4．4中不同的结构物根据地震持续时间长短将结构物行为分为三类。TYPEA：怨=l，结构滞回环与图2-3接近，具有良好的耗能能力；TYPEB：K"=2／3，表示结构具有中等耗能能力；TYPEC：K=l／3，表示结构耗能能力不佳。表4-5是将不同的阻尼比对鬈的修正，最后将几换为凡(等效阻尼比)：．如=编班型瓮剑”c㈣Table4-4Stnlctralbehaviortypes地震持时新建筑平均现存建筑现存老建筑短TypeATypeBTypeC长TypeBTypeCT咖C 第4章蚴ovcr法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用表4-5阻尼修正系数kTable4-5Dampingcoa删∞coeffici∞tk结构行为类型B(％)≤16．251．0TypeA>16．251．13-0．51ts≯秘由s哪)，sm_s啦≤25’0．67TypeB>”0．845-0．446ts≯妒s庐d，s《S酗聊eC任意值O．33几，用来评估反应谱的折减系数，其关系由公式4．8得到，当结构的系统阻尼比大于5％的临界阻尼时，对5％阻尼的弹性反应谱的折减得到需求谱，公式如下：艘。=i1=—3．21_-O．r681n(,0面,)(禾8)、艘r=百1=—2．3—1-瓦0．41厂ln(fl咿)(釉)SR。和艘，分别代表弹性反应谱常数加速度和常数速度区的折减系数，表4_6为不同的结构性为下，SRA和艘r所能折减的容许值。表4-6SRA和SR，最小容许值Table4-6MinimumallowablevalueofSRAandSR。结构循为类型SR,4SRrTypcAO．33O．50TypeB0．44O．56TypeCO．560．67能力谱与需求谱放在同一个ADRS图上，如图2-4所示，两组曲线有个交汇点，如果这个交点与(嘞毒)点相近，此点可视为“性能点”(PerformancePoint)，或称“目标位移点”，如果此点远离(嘞彩)点，则计算过程须重复进行，直至达到满意为止。4．3．1．3本文所建议的抗震评估法x方向分析结果 北京工业大学工学硕士学位论文Pushover分析表明，本结构的层间位移角沿楼的分布如图4．6所示，其中大震作用下最大值为0．0044375(1／225)，小于1／55；中震作用下最大值为0．002255(1／443)，小于1／200；小震作用下最大值为O．000815(1／1227)，小于1／550。均满足本文第三章中所建议的评估标准；并且大震作用下对应的构件端部塑性铰最大转角发生在二层顶梁即@轴交于o@轴间，其最大值为O．004288，小于表3．16中建议的O．03，并且从塑性铰的发展状态，也可以看出，塑性铰仅仅发展到“使用良好”阶段，还可以继续承载，满足大震下不发生局部倒塌的限制。图4石x方向层间位移角分布图Fig4-6Inter-storydrittverticaldistributionofX础 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用(a)小震作用下x方向塑性铰分布图(b)中震作用下x方向塑性铰分布图一77． 北京工业大学工学硕士学位论文(c)大震作用下X方向塑性铰分布图图4-7X方向塑性铰分布图Fig4-7PlastichingeprofileofXaxis4．3．1．4本文所建议的Y方向分析结果Pushover分析表明，该结构的层问位移角沿楼的分布如图4．8所示，其中大震作用下最大值为0．0090775(1／110)，小于1／55：中震作用下最大值为0．0040225(1／249)，小于1／200；小震作用下最大值为．0．0015075(1／663)，小于1／550，均满足本文第三章所建议的评估标准，并且大震作用下对应的构件端部塑性铰最大转角发生在二层顶梁即0轴交于@@轴间，其最大值为0．008632，同样小于本文第三章所建议塑性铰转角的限值0．03，从塑性铰发展的状态来看，结构杆件的塑性铰大多处于“使用良好”阶段，仍有较大的承载力余地，满足大震下不发生局部倒塌的限制。 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用图4_8Y方向层间位移角分布图Fig4-8Inter-storydriftverticaldistributionofYaxis(a)小震作用下Y方向塑性铰分布图．79- (b)中震作用下Y方向塑性铰分布图(c)大震作用-卜Y方向塑性铰分布图图4-9Y方向塑性铰分布图Fi94-9Plastichinge‘profileofYaxis根据实际震害记录12]，该结构的在1976年唐山地震时，实际震害记录如下：该厂处于烈度ll度震中区的异常区，宏观烈度为IO度。制粉车间虽然遭遇一定破坏，但仍是唐山保持较完整的建筑之一。建筑的震害表现为“上轻下重”；一80． 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用一层最严重，二层次之，以上各层很轻。具体破坏情况如下：(1)一层边柱在窗台及梁加腋处和中柱在离地面10cm及梁加腋处出现水平断裂裂缝。其中尤以轴线④@处边柱破坏最重，纵向钢筋弯曲，混凝土疏松脱落．(2)二层大部分边柱在上下窗口处有裂缝，中柱也在粱加腋面处有裂缝，破坏情况比一层轻，没有混凝土脱落现象。(3)其余各层柱的破坏情况类似于二层柱，但较轻，并且向上越来越轻。(4)一二层的填充砖墙裂缝较普遍，尤其一层较严重。(5)局部的梁板也有损坏，如一层楼梯休息平台裂缝，一层楼梯问处拱梁明显断裂。由以上的pushover分析结果，得出如下结论，结构在二层三层处层间位移角较大，并且从一层到二层三层最大层间位移角的变化较陡，即变形较大，与实际震害调查的一二层填充墙产生大裂缝相对应；分析表明，结构在二层的层间位移角达到最大值，与实际震害的调查的二层大部分边柱在上下窗口处有大量裂缝相对应，从塑性铰的分布图4．7、4．9上，可知结构底部的形成的塑性铰比顶部的塑性铰多，此处也与实际震害调查的一二层震害较严重，以上各层逐渐减轻相对应。使用楼层屈服强度系数的判别是本结构的薄弱层，计算过程如下表4-7。表4-7楼层屈服强度系数的计算Table4-7Calculationofflooryiddstrengthcoefficient楼层VdJ)kNv／OkNffjfJ结论552．968．11．29基本完好4216．1125．10．58轻微破坏3419．4·183．5b．44中等破坏2710．3245．3O．35严重破坏l1006．3324．8O．32严重破坏根据以上楼层屈服强度系数的计算结果，该结构的薄弱层为底层，二层，以及三层也有一定程度的破坏。从层间位移角在二层以及三层都较大，从pushover分析的过程中塑性铰的分布图可以看出，结构的底层也有较多的塑性 北京工业大学工学硕士学位论文铰。综合得出，该结构的薄弱层为一层、二层和三层。4．3．2-r程实例二4．3．2．1工程概况建于20世纪50年代的某四层现浇框架结构，采用外挂墙板和轻质内隔墙，框架下部有箱形地下室，平面布置图、各层重力荷载代表值以及结构剖面图建图4-104．12，梁、柱采用c18混凝土，该工程位于9度设防区，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组。●．36[10图4-10结构平面图Fig4-10SCucturalplanes图4-11结构剖面图Fig4-11Sw,．．cturalprofilechart4．3．2．2依据现有规范评估该工程图4-12重力荷载代表值分布图Fi94-12脚鳓tativevalueofgravityleadofthefloor}_，。．，，。．o。．．．．．．丁。豇 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用依据现行‘建筑抗震鉴定标准》(GB50023．95)对该结构的抗震性能计算如下：1．第一级鉴定(1)该工程平立面规则，无砌体结构相连，为纯钢筋混凝土框架结构，无女儿墙和填充墙等易倒塌构件，原设计未考虑抗震。(2)梁、柱及其节点经40余年使用，有局部剥落、开裂现象，尚未发现钢筋露筋、锈蚀等情况，主体结构明显倾斜。(3)地基为砂质黏土，未发现不均匀沉降，基础为间兼做地下室的箱形基础，原地基承载力为15t／m2(150kPa)。(4)结构各部位构造，经与抗震鉴定要求对照，列与表4．8。表4-8结构构造尺寸鉴定Table4-8Structureandconstitutionsizeevaluation鉴定项目鉴定标准规定值实际值鉴定结果混凝土强度C18符合鉴定要求框架结构受力体系双向框架符合鉴定要求梁纵筋在柱内锚固长度25d+5d=30d30d符合鉴定要求8、9度框架节点构造剐接现浇刚接符合鉴定要求柱截面宽度(mm)400符合鉴定要求9度框架柱轴压比<0．8O．68符合鉴定要求角柱最小配筋率1．O％1．o*／0(8由16)符合鉴定要求中柱最小配筋率O．8％1．0"／o(8由16)符合鉴定要求柱端箍筋由8@150由6@200不符合鉴定要求梁端箍筋@150由6@200不符合鉴定要求短柱箍筋@100无短柱本工程不符合第一级鉴定要求，需要进行第二级鉴定。2．第二级鉴定(1)影响系数1)体型影响系数柱箍筋dp6@200不符合国家标准《建筑抗震鉴定标准》(GB50023．95)的 要求，取0．8。2)局部影响系数北京工业大学工学硕士学位论文外挂墙板及轻质隔墙的纯框架结构，取1．0。(2)框架结构楼层的弹性剪力本例采用近似的计算方法，在实际工程中也可采用更精细的电算进行。1)基本自振周期乃=O．1a口Ⅳ=nJ×n9x4=0．36s(4-10)t=0．35(II类场地)，正=0．36<1．4乙=0．49，设6。=o，a。=0．32(9ff眍)，口l=(00．．3356)0．9Xo．32=o．3l2)底部总剪力∑G=6700+8360+8360+8820=32240kNG珂=n鼬∑G巳=a，G珂=0．31xO．85x32240=8495kN(4-11)3)楼层地震剪力地震作用分项系数1．0，则计算见表4．9。表4_9楼层地震剪力计算表Table4-9StoryshearforcesforRC6∞estructureinsei8lnicaction(4-12)层G(1斟)凰Om)G嚣舒烈．嘀E(1甜)K(蝌)4670015．31025lO28303836011．79781227605530283608．16771618697395l88204．53969010968495∑322403077288495．84． 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用(3)框架结构楼层现有受剪承载力纯框架结构层问现有受剪承载力按下列两种情况的公式计算，并取其最小值。1)按偏压柱正截面的受弯承载力计算柱受弯承载力计算柱受剪承载力：以一层边柱为例，原设计为4由20I级钢筋，f。取0．6，f,,=235N／Bin2。柱混凝土强度为C18时，厶=J．16N／rm2，厶=&6N／mm2，N=863kN<缸厶bho=0．6x9．6x400x465=1071kN。Mq=，畦AI(ho—a,)+O．SNh(1一N／f,tbh●=235x1257’‘(465—35)+0．Sx863x10’x500x(1—863x10’／&6x400xS00)=235x106N．删=235kN．n,1圪户丝u+二2t(4-13)％，2芽由于各层柱顶部钢筋和底部钢筋一般通长设计，又假定顶部与底部的垂直力接近，故M；=^码，如果柱顶部钢筋和柱底部钢筋不一样，则应分开计算·柱净高z‘=4．5-0．6=3．9m‰=了2x2厂35=121kN各层边柱和中柱的受剪承载力，见表4-10。表4-10由柱正截面受弯承载力计算柱受剪承载力Table4-10Shearing-resistantbearingcapacityoftheobfiVue8eotionofconcretecolumn楼N柱截面肘。H。‰柱列O竖筋4o层l矾％①6h边柱1794003653307533由16603470．8703l783524中柱183400枷3653307533由1660347O．8673279353边柱4034003653307533出18763590．707571163773中柱4124003653307533由1876359O．70l58117378边柱6274003653307533由20942730．544681413942中柱6404003653307533中20742730．53568141394 北京工业大学工学硕士学位论文lO12边柱8634005∞4654309604由201257127O—4982343．97OllO12中柱8814005∞4654309604由201257l”0．4882343．97O注：①ho一口，；@‰厶bho；@厶4佛一qJ；④I-N／f＆bh；@0．SNh×口一彤纭圳。2)按偏压柱截面计算柱受剪承载力柱的剪跨比A=Ho／2ho=3．9／2x0．465=4．19>3，取A=3。N=863>n吮铂口=O．3x8．6x400x465／1000=480kN，故应取480kN。值得注意的是顶层N=179<0．3x8．6x400x365／1000=377kN，故应取179kN。柱端箍筋采用由60200，厶=57ram2。‰=雨1．05厶魄+厶争％+n056N；．1．0__55×J．J6×4口D×465+235×—兰三j×465+nn56×480×103：115×10’N：115kN3+1200现列表计算各层边柱和中柱的斜截面受剪承载力，见表}11。表4—11各楼层柱斜截面受剪承载力计算Table4-11Shesring-resistantbearingcapacityoftheobliVue8ectionofconcretecolumn楼柱Ⅳ柱截面厶NAo箍筋o层列埘6hH．o州边1794003653．O4．1345m6@20057241791079柱4中1834003653．o4．1345由6020057241831079柱边4034003653．o4．1345由6@20572437721903柱中4124003653．04．1345由6020057240772190．86． 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用柱边6274003653．O4．1345由6@20057243772190柱2由6404003653．O4．1345由6眈0057243772l90柱边8634004653．94．2358由6@200573148027116柱l中8814004653．94．2358由6@200573l48027116柱注：①A=Ho／2ho；②告去厶‰；④厶孚％；@0．056N；@‰。3)楼层综合抗震能力指数80=警P28v勺=v,lv．该工程无填充墙和抗震墙，只有框架柱，故楼层柱现有受剪承载力为：0=∑％+D．7∑‰+n7∑‰=∑％从表4-6，4-7中可知，一层边柱的圪分别为120kN和116kN，取其最小值116kN，一层边柱的％亦为120kN和116kN，其最小值116kN·巧=24，(116+24x116=2784+2784=5568kN从表4-5中可以得知，一层楼层地震剪力为8495kN，故楼层屈服强度系数为：氏=5568／8495=0．655。体系影响系数局部影响系数哆=0．8吼=1．0故一层结构楼层综合抗震能力指数：屏=0．8x1．0x0．65580．524。现列表计算各层综合抗震能力指数，见表4-12。表4-12各层横向综合抗震能力指数13o计算-87．- 北京工业大学工学硕士学位论文Table4-12hltefalseismicpcdbnn蛐∞index楼层楼●柱柱受受剪柱列‰％数剪承匕8，妒J％风层承载量载力力边柱5279522412484252028300．8900．81．O0．712中柱537953241272边柱7790772418483372055300．673O．81．00．538中柱789078241872边柱94902421602432073950．584O．81．O0．467中柱9490242160边柱1201162427841556884950．655O．81．O0．524中柱120116242784(4)鉴定结论从表4-9中可知，楼层横向综合抗震能力指数均小于1．0(楼层纵向抗震能力指数计算从略)，不符合第二级鉴定的要求，应采取加固或其他相应措施。4．3．2．3本文建议的Pushover法评估结果Pushover分析表明，本结构的层间位移角沿楼的分布如图4-13所示，其中大震作用下最大值为0．008814(1／113)，小于1／55；中震作用下最大值为0．006194(1／161)，介于1／150与l／2∞之间；小震作用下最大值为0．002358(1／424)，大予1／450。虽然pushover法分析结构分析结果表明，大震下结构的层问位移角小于本文推荐的标准，但是从结构在大震下塑性铰的分布图上看，结构在底层的柱底端全部形成塑性铰，并且结构在梁端多处形成塑性铰，结构已成为机构，失去继续承载的能力．结构在中震作用下，楼层位移角介于本文所推荐的标准之内，结合本工程的实际情况，使用的轻质隔墙，无填充墙，故而建议使用1／200，即结构不能满足“中震可修”的要求；小震下的最大层间位移角大于本文所推荐的标准，同样不满足“小震不坏”。因此建议结构进行全面加固。 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用图4-13层问位移角分布图Fig4·13Inter-storydriftverticaldistribution(a)小震作用下塑性铰分布图．89． 北京工业大学工学硕士学位论文(b)中震作用下塑性铰分布图(c)大震作用下塑性铰分布图图4-14塑性铰分布图．90- 第4章Pushover法在钢筋混凝土框架结构抗震性能评定中的应用．Fig4-14PIMtichingeprofile本文所建议钢筋混凝土框架结构抗震性能评估方法，结论与现行<建筑抗震鉴定标准》(GB50023．95)中所建议的经验法评估结论一致，并且该方法是结构整体进行的，易于发现结构的实际薄弱部位和构件，并且还可以作为加固后抗震性能的进一步评估。以楼层屈服强度系数的计算结果表4-13所示。表示结构各层均有不同程度的破坏，底层、二层会有较严重的破坏。表4—13层间屈服强度系数的计算结果Table4-13Calculationofflooryieldstrengthcoefficient楼层Q。(i)《埝i)见0XkN)磊结论41821120．62轻微破坏3410152O．37中等破坏2638184O．29严重破坏19382070．22严重破坏该结构层间位移角沿楼层的分布可以看出，层间位移角最大为二层，塑性铰的分布图可以看出，结构在大震下，底层梁端以及底层柱的下端均全部出现塑性铰。可知该结构的相对薄弱层为底层，与上述的层问屈服强度系数的结果相似。·4．4本章小结(1)分析了用于既有钢筋混凝土框架结构抗震性能评估时，荷载作用的取值。对于大多数结构，我们设计时所依据的《建筑荷载标准》(CaB50009-2001)中使用的是都是基准期为50年。而对于普通的新建的钢筋混凝土框架结构是适用的，对于既有的建筑结构，规范中的所规定的荷载取值有待进一步的研究，得出根据不同服役基准期所需要的荷载标准值。本章对于结构抗震性能评估中的所使用的恒荷载、活荷载和地震作用进行了探讨。(2)结合前三章的研究结果，提出了适用于既有钢筋混凝土框架结构抗震性能评估的方法，给出了评估过程流程图。(3)应用本章所提出的钢筋混凝土框架结构抗震性能评估方法，评估了在唐山大地震中抗震性能表现良好唐山面粉厂制粉车间，一个五层局部三层的钢筋混凝土框架。评估结果表明，与实际震害记录吻合良好，并且该方法对结构 北京工业大学工学硕士学位论文整体进行分析，快速有效地发现了结构在地震作用下的薄弱部位，定量地评估了结构的抗震性能。对一个四层钢筋混凝土框架结构分别使用现行抗震鉴定规范以及本文建议的抗震性能评估的流程，进行评估，结论基本一致，本文所建议的方法快速，方便、直观。 结论与展望随着我国大量现役建筑结构逐渐进入“老龄期”，我国建筑抗震设防标准的提高以及大量的房屋改造的需求，结构抗震性能评估显得越来越重要。如何快速、有效地评估既有建筑结构的抗震性能，是本课题研究的主要内容。通过本课题的研究，得出以下几点主要结论：(1)在已有的研究基础上，分析了现有各种建筑结构抗震性能评估方法，找出了各种评估方法的优缺点以及适用的范围；在此基础上，得出了适合与钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估方法，即以pushover分析为基础的抗震性能评估方法。、(2)在总结钢筋混凝土框架结构震害、抗震性能的影响因素的基础上，提出了评估钢筋混凝土框架结构的性能指标：层问位移角和塑性铰转角。通过总结现有的震害记录以及实际工程的计算结果，得出了适合于评估钢筋混凝±结构的层间位移角以及大震下塑性铰转角的限值，该限值与我国现行抗震规范的三阶段大震、中震和小震相对应。由于现在研究不够成熟，国内的规范还没有纳入大震下结构的塑性铰转角这一指标，本文根据现有国内外试验研究现状，提出适用此指标评估结构的抗震性能，并且初步给出了评估用的标准。(3)明确了该评估方法评估流程：该方法为两阶段评估，第一阶段以层问位移角评估结构在大震、中震及小震下结构的性能，第二阶段以大震下的塑性．铰转角为指标，评估结构是否在大震下由于梁、柱端部形成的塑性铰转角过大，而引起的结构局部的倒塌。结合唐山地震中表现出良好抗震性能的唐山面粉厂制粉车间五层局部三层的钢筋混凝土框架，进行了评估，并于实际震害进行对比，结果与实际震害吻合良好。并且该方法是针对结构整体进行分析，更容易发现结构真正的薄弱部位，并且对于评估之后的加固、改造提供参考。Pushover方法本身有一定的假设、局限性，故而由于钢筋混凝土框架结构的抗震性能评估，还有一些值得进一步讨论的问题，简述如下：(1)对于pushover分析本身的研究，对于分析中用到的加载方式仍有很大的不确定性，由于本文是针对较规则的钢筋混凝土框架结构进行分析，加载方式采用的是较为成熟的模态加载，对于更为一般的、不规则的、高层、需要考虑土与结构的相对作用、使用隔震或阻尼器的结构，加载方式还有有待进一 北京工业大学工学硕士学位论文步的研究。(2)目前，在sap2000中使用在杆端形成塑性铰来考虑材料的非线性，对于面单元，还不能考虑其材料非线性，这对于目前大量出现的钢筋混凝土框架-剪力墙、框架．核心筒等结构，如何快速、有效地评估此类结构在大震下的性能还有待进一步的研究。(3)由于需要评估的结构，有相当大的比例是使用几十年的结构，按照现行抗震设计、鉴定规范进行评估，适用的活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用，均是针对新建结构，且是基于使用年限为50年而得出的标准值，其直接应用于评估已经服役若干年的结构，应该进一步研究根据不同服役年限的用于评估的荷载标准值。(4)需要进行评估的钢筋混凝土框架，有很多是图纸不全的使用多年结构，如果按照现行的结构设计规范进行设计配筋，可能放大原结构的配筋，使评估偏于安全，不利于真正发现结构的薄弱部位，如何准确地量化这样的配筋折减，有待进一步的研究。 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攻读学位期间发表的学术论文1．闫熙臣，高小旺．钢筋混凝土框架结构抗震评估的新方法，工程抗震与加固改造。2007．12．闫熙臣，高小旺．某钢筋混凝土框架厂房的抗震鉴定，首届全国既有结构加固改造设计与旌工技术交流会，北京，2007(已录用)．99- 致谢致谢本文是在导师高小旺研究员的悉心指导下完成的。三年的学习中高老师的求实精神、严谨的治学态度、平易近人的作风、丰富广博的专业知识、扎实的理论功底、热心的态度都给了我莫大的帮助。我很庆幸能够得到高老师的指导和帮助，提供大量的资料。导师的指导历历在目，就要离开学校了，这一切无论是从专业上还是从做人上都将对我以后的人生道路产生深远的影响。在此向导师致以深深的谢意!最后，我要感谢我的家人和所有关心我的朋友，能够顺利完成学业和他们的支持和帮助是分不开的。向所有关心和帮助我的老师、同学们表示感谢!闫熙臣2007年6月 钢筋混凝土框架结构抗震性能评定方法的研究与应用作者：闫熙臣学位授予单位：北京工业大学相似文献(10条)1.会议论文瞿伟廉.李桂清设有人工滞后铰钢筋混凝土高层框架结构的减震设计1988该文应用规划优化的方法提出了梁端设置人工滞后铰钢筋混凝土高层框架结构的减振控制方法。该文依据梁的Giberson滞后模型假设和Y.K.Wen的滞后恢复力，建立了地震干扰下设置钢人工滞后铰钢筋混凝土高层框架结构的随机计算模型。并按照随机振动和规划优化的理论，导得了小震烈度下控制整个结构保持在弹性阶段如同普通高层框架那样正常工作，大震烈度下使梁端人工滞后铰进入塑性，但柱保持在弹性阶段的减振控制设计计算方法。（本刊录）2.学位论文蔡官民钢筋混凝土结构抗连续倒塌能力研究2008对于重要的、安全等级较高的建筑，其结构设计除了按一般概念对强度、刚度、稳定进行验算外，还应进行结构抗连续倒塌能力的评估，即当结构因突发事件或局部严重超载而造成局部构件突然失效时，结构应能自行调整内力，阻止破坏过程的延续，从而保证结构的整体稳定性。本文在总结国外结构抗连续倒塌评估和设计方法的基础上，提出了结构“抗连续倒塌”的定义。结合我国国情和《建筑抗震设防分类标准》及国外有关规范，提出了抗连续倒塌建筑分类。对典型钢筋混凝土多层框架结构的抗连续倒塌能力进行了分析，结果表明，随着抗震设防烈度的提高，多层框架结构的抗连续倒塌能力增强，低烈度区的框架结构抗连续倒塌能力可能不足。同时，还对带梁式转换层的高层结构的抗连续倒塌能力进行了探讨，结果表明，支承转换梁的角柱、边柱一旦失效，结构将发生连续倒塌，支承转换梁的中柱一旦失效，结构连续倒塌风险很高。基于上述研究，提出了提高钢筋混凝土结构抗连续倒塌的策略和相关措施。3.会议论文何建罡.马力.李坚权多层异型柱框架结构住宅楼电算分析19904.学位论文韩波基于可靠性的钢筋混凝土结构的优化设计研究2000该文将结构可靠性分析和优化设计理论集于一体,对大型钢筋混凝土框架结构的可靠性优化设计方法进行较深入的研究和探讨.首先,在传统PNET法的基础上,利用优化技术对PNET法进行改进,同时考虑代表机构之间的相关性,使寻找结构代表机构和计算结构体系失效概率的方法得到简化.其次,针对大型框架结构提出一种基于可靠性的结构优化设计迭代法,其可靠性分析部分应用作者建议的改进的PNET法进行计算.文章的后部分为分析最弱失效模式,以及在分布优化策略的基础上,结合中国结构设计规范(GBJ11-89),推导和建立钢筋混凝土框架结构梁、柱基于可靠性的优化设计数学模型,实现了结构设计的安全与经济的统一.5.会议论文王永喜.邢秋顺土中浅埋钢筋砼框架结构塑性变形能力的试验研究6.学位论文张立山钢筋混凝土结构抗倒塌技术措施研究200620世纪90年代以来，建筑遭恐怖爆炸袭击造成连续倒塌的事故屡屡发生。钢筋混凝土结构目前是我国应用最为广泛的建筑结构，而且绝大多数公共建筑都采用钢筋混凝土框架结构，所以开展钢筋混凝土结构在恐怖爆炸袭击作用下能否抵抗连续倒塌的研究是十分有意义和有价值的。文中对钢筋混凝土结构连续倒塌具有威胁的地震荷载和爆炸荷载的特点进行了论述，对各种常见钢筋混凝土结构的结构特点进行了分析。通过对建筑结构倒塌过程的分析，提出了钢筋混凝土结构竖向倒塌的破坏准则。通过对美国GSA和UFC标准，《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，《建筑抗震设防分类标准》GB50223-2004等相关规范标准的探讨，总结出适合我国钢筋混凝土结构抗倒塌设计的相关构造措施。根据建筑物遭遇偶然事件的可能性和建筑发生倒塌后可能造成后果的严重性将建筑分为四类，对不同类别建筑采取不同的抗倒塌策略。在钢筋混凝土内部设置水平拉杆和垂直拉杆等拉结系统，将结构有效地连接在一起，增加结构的连续性和延性，并使结构具有“搭桥”能力，从而限制破坏的发展，避免连续倒塌的发生。采取一些具体的抗倒塌构造措施：加强梁底部通长纵筋和端跨负弯矩筋的配置；增加梁端箍筋加密区的长度；提高梁柱混凝土强度等级；加大底层框架梁的截面高度尺寸；柱距不能过大；避免采用转换梁结构方案等。钢筋混凝土结构受到偶然荷载作用某一竖向承载构件失效后，结构允许的倒塌范围：对于外柱破坏情况为直接位于柱上的梁、面积不超过100m2的楼板或楼层面积的15％；对于内柱破坏情况为直接位于柱上的梁、面积不超过200m2的楼板或楼层面积的30％。钢筋混凝土结构抗倒塌构造措施，对实际工程结构的抗倒塌设计和以后的相关研究具有一定的价值。7.会议论文陈新孝.石建光偏心支撑钢筋砼门式框架结构的极限分析19948.学位论文谢小安预压装配式预应力混凝土框架结构静力弹塑性pushover分析2009预压装配式预应力混凝土框架结构是近年来我国科研人员对装配式结构的一次有益探索。这种结构的梁柱均在工厂预制，预制时在构件相应位置预留预应力孔道，运至现场吊装就位后，将后张预应力筋穿过预留孔道，对结点实施预应力张拉预压而形成的结构体系。合肥工业大学的柳炳康等对它进行了梁柱节点低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究以及一系列的理论探讨。然而，如果仅从单个节点的抗震性能的试验数据去判断某种体系的抗震性能，显然是不够的，尤其是对于装配式结构，因为传统的装配式结构均存在节点连接可靠性差，整体性差，不利于抗震，难以满足反复荷载作用下的受力要求的缺点。静力弹塑性pushover分析方法为我们进一步认识预压装配式框架结构体系的抗震性能提供了方便。本文在合肥工业大学对预压装配式预应力混凝土梁柱节点抗震性能试验的基础上，着重对其在罕遇地震下的抗震性能进行了研究：1.利用已有试验资料和数据整理得到本文进行研究所需的框架梁弯矩-曲率关系曲线，并结合相关文献资料，给出了本文计算分析框架的截面尺寸、配筋和拼装模式。2.结合梁柱节点的破坏特点，应用matlab语言编制了平面框架结构的pushover能力谱法分析程序，该程序利用matlab语言的强大的绘图功能，将目标位移的求值过程形象地用图形表现出来。3.组装了一系列变化跨度、层高、跨数或层数的单榀框架。通过算例，对预压装配式预应力混凝土框架平面结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形验算，更进一步的了解了这种结构的抗震性能，并针对该结构的推广使用，提出了一系列的改进意见。9.会议论文陈桂林.倪荣福对一框架结构建筑物爆破拆除中“后座”问题的分析与探讨198810.会议论文钟万勰.刘军献框架结构智能CAD系统AICAD1987该文针对钢筋混凝土框架结构计算机辅助设计问题，设计并实现了一个智能型计算机辅助设计系统AICAD。该系统将知识工程和CAD技术溶为一体，具有一定的知识处理功能，为设计人员提供了描述荷载组合规则、梁柱钢筋形状和梁柱选筋规则等设计知识的接口，为不同的设计人员按不同的设计规范、经验和习惯进行计算机辅助设计提供了方便和可能。（本刊录）本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1163417.aspx下载时间：2010年3月29日'