（工程力学专业论文）钢筋混凝土枢架结构强柱弱梁级差措施抗震评估.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： d 印 日期：a 叼侔易, e la 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。 学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 囱保密，在墨年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单 位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 导师签名： e t 期：盘型：五：垄 e t 期： 盘亟：厶：釜 摘要 摘要 在r c 框架结构的抗震设计中，“强柱弱梁”延性级差措施是重要的一环，也 是研究热点之一。本文主要研究了我国抗震设计规范中的柱端弯矩增大系数( 本 文中简称“强柱系数”) 。通过与世界几个主要国家抗震设计规范中的最高一级强 柱系数的对比发现，我国规范的强柱系数在这些国家中是最小的。而我国地处环 太平洋地震带，是地震多发国，因此必须对其加以重视。 本文对强柱系数的研究主要包括以下几个方面的内容。 ( 1 ) 将我国抗震设计规范规定的r c 框架结构强柱系数与新西兰、美国、 欧共体等几个主要国家的抗震设计规范中规定的强柱系数相对比，了解我国抗震 设防水准与国际水准的差距。 ( 2 ) 运用a n s y s 软件模拟分析了轴压比、材料非线性、钢筋超配量、楼 板等因素对实际强柱系数的影响，了解强柱系数随其变化情况，并通过与试验数 据对比以验证分析模型的正确性。 ( 3 ) 阐述了r c 框架梁一柱组合构件的失效机制，对单个构件的失效概率 进行可靠度分析，得出失效概率以及可靠度与强柱系数的关系，评估单个构件强 柱弱梁级差措施的抗震性能。 ( 4 ) 采用蒙特卡罗概率分析法对3 层和6 层框架结构体系的强柱系数进行 抗震评估，得出框架结构位移需求大于位移能力的失效概率与强柱系数之间的关 系，计算表明我国现行抗震设计规范规定的强柱系数不能保证“强柱弱梁”级差措 施的要求，抗震规范中的某些条文是值得重新审视的，本文由此提出了对规范的 一些改进建议。 鉴于时间关系，本文只研究了r c 框架结构抗震级差措施中的“强柱弱梁”这 一方面的内容，另外，本文对框架体系的强柱系数进行抗震评估时只采用了较典 型以强度为设计标准的3 层框架和以抗侧刚度为设计标准的6 层框架，分析结果 可能有欠全面，还有待进一步研究和完善。 关键词：r c 框架；延性设计；强柱弱梁；强柱系数；蒙特卡罗模拟 华南理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr cf r a m e se a r t h q u a k e - r e s i s t a n c ed e s i g n s a o n g - c o l u m na n dw e a k - b e a m d u c t i l i t yg r a d a t i o n m e t h o di sv e r yi m p o r t a n t , a l s oi ti sv e r yp o p u l a r i nt h i sp a p e r ，t h ec o l u m nm o m e n te n h a n c e m e n t c o e m c i e n t ( c a u e da ss t r o 唧l u m nc o e f f i c i e n t i nt h i sp a p e r ) o fr cf r a m eb u i l d i n gi nc h i n e s e e a r t h q u a k e - - r e s i s t a n c ed e s i g nc o d ei sm a i n l ys t u d i e d a f t e rc o m p a r e dw i t ht h eh i g h e s tg r a d eo f s e v e r a lm a i nn a t i o n a le a r t h q u a k e - r e s i s t a n c ed e s i g nc o d e , i ti sf o u n dt h a tt h es u o n g - e o l u m nc o e f f i c i e n t o f c h i n e s ec o d ei st h el o w e s t a t t e n t i o nm u s tb ep a i dt oi tb e c a u s ec h i n al o c a t e da tc i r c u m - p a c i f i cb e l t a n de a r t h q u a k e sh a p p e n e df i e q u e n t l y t h em a i nc o f i t a ：】魍a b o u tt h es t u d yo f t h es t r o n g - c o l u m nc o e f f i c i e n ti nt h i sp a p e ra r es u m m a r i z e d a sf o l l w s ( 1 ) t h es t r o n g - c o l u m nc o e f f i c i e n to fr cf l d l l ei nc h i n e s ee a r t h q u a k e - - r e s i s t a n c ed e s i g nc o d e i sc o m p a r e dw i t ho t h e rc o u n t r i e s 嬲n e wz e a l a n d , a m e r i c aa n de u r o p e a nc o m m u n i t y , t ou n d e r s t a n d t h eg a po f e a r t h q u a k e - r e s i s t a n c ep r o t e c ts t a n d a r db e t w e e nc h i n 雠a n di n t e r n a t i o n a lc o d e ( 2 ) a n s y sp r o g r a mi su s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r su p o na c t u a ls t r o n g - c o l u m n c o e f f i c i e n to fr cf r a m eb u i l d i n g , s u c h 舔t h ea x i a l c o m p r e s s i o nr a t i o , n o n l i n e a ro fm a t e r i a l , o v e r r e i n f o r c e d , f l o o r , a n d8 00 1 1 t h ea n a l y s i sr e s u l t sa mc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ll 鹊- u l t st op r o o f p r o p e ro f t h em o d e l ( 3 ) t h ef a i l u r ep a t t e r no fr cf l a m eb e a m - c o l u n mc o m p o n e n ti ss t u d i e da n ds i n g l ec o m l ) o n e n t s r e l i a b i l i t y i s a n a l y s e d t h e r e l a t i o n s h i p 出n o n g f a i l u r e p r o b a b i l i 劬d 蛐a n d 咖删咖砸撼缸i s 擘面d 吣脚p 触翻m 邳d b 联感蝴徉秭叩黼i s e v a l l 脚缸 ( 4 ) m o n t ec a r l op r o b a b i l i t y 锄l y s i sm e t h o di su s e dt oe v a l u a t et h ee a r t h q u a k e - r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c eo f 3s t o r e ya n d6s t o r e yo f r cf l a m es m l c t u r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r o n g - c o l u m n c o e f f i c i e n ta n d p r o b a b i l i t yo f d e m a n d e dd i s p e x c e e d i n gd i s p l a c e m e n tc a p a c i 哪t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es t r o n g - c o l u m nc o e f f i c i e n tw h i c hi sd e f m e db ya p p l i c a b l ec h i n e s ec o d ec a n n o tm e e tt h e d e m a n d o f s t r o n g - c o l u m na n dw e a k - b e a m g v d d 蚯o nm e t h o d s o m ec l a u s 鹤i nc h i a n 镐 娜e - r e s i s t a n c ec o d eh n v ct ob ec x 锄n i n e d r c c o m m e n d a t i o m 衙m ec o d ea r ep r e s e n t e di nt h i s p e p e 嘁t o t h el i m i to f t i m e , o n l y s t r o n g - c o l u m na n dw e a k - b 昀m o f r cf r a m eg r a d a t i o nm e i k l o d i ss t u d i e di nr i d s 群p 既b e s i d e s , t h ee a r t h q u a k e - 触牟d 研m a 溉e v a i 咽血go ft w ot y p eo fr c f r a m es m i c t t u e si s 锄a l y s e dw h i c ha 船3s t o 陀y 啦咖e 出洲b y h 时s m d a t d a n d 6s t x e ys 岫c u e 矗洲b y 位嗡h n _ d 啊鲢眦i j 罢；i d i 缈馥唧h dt h er e s u l t sa l en o tp e r f e c t ，a n df u r t h e rr e s e a r c h e s 骶 n e e d e dt oc o m p l e t et h e 讳移成 k e y w o r d s ：r cf l a m c ；d u c t i l i t yd e s i g n ：s t r o n gc o l u m na n dw e a kb e s m | s t r o n gc o l u m n c o e f f i c i e n t ：m o n tc f l r l os i m u l a t i o n 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1r c 框架结构抗震设计方法简介1 1 1 1 概j 态1 1 1 2 抗震设计方法发展概况2 1 2r c 框架结构抗震级差措施简介2 1 2 1 强柱弱梁3 1 2 2 强剪弱弯4 1 2 3 强节点弱构件4 1 3 强柱系数5 1 3 1 强柱系数的引入5 1 3 2 强柱系数抗震评估的意义7 1 4 本论文的主要研究内容7 1 5 本论文的结构7 第二章国际上主要抗震设计规范中强柱弱梁级差措施比较9 2 1 抗震设防水准。9 2 1 1 概述9 2 1 2 抗震性态水准一l0 2 1 3 地震危害水准一1 2 2 1 4 性态水准与危害水准成对的关系1 3 2 2 几个主要国家的抗震设防水准1 4 2 2 1 概述1 4 2 2 2 我国规范规定的抗震设防目标15 2 2 3 其它几个国家规范规定的抗震设防水准1 8 2 3 各国设计规范中强柱弱梁级差措施的比较2 0 2 3 1 问题的提出2 0 2 3 2 各国规范中强柱系数的规定2 0 2 3 3 各国规定的对比2 6 2 4 本章小结2 9 第三章实际强柱系数影响因素分析3 l 3 1 实际强柱系数3 l 3 1 1 实际强柱系数的含义3 l 华南理工大学硕士学位论文 3 1 2 实际强柱系数的影响因素3 l 3 2 分析模型3 2 3 2 1 模型尺寸参数3 2 3 2 2 加载和约束方式3 4 3 2 3 有限元模型的建立3 5 3 3 模型验证3 7 3 3 1 单元类型。3 7 3 3 2 材料属性3 8 3 3 3 强度准则4 0 3 3 4 计算结果比较4 3 3 4 影响因素分析4 5 3 4 1 轴压比的影响4 5 3 4 2 钢筋超配量的影响4 6 3 4 3 材料非线性的影响4 7 3 4 4 楼板的影响4 8 3 4 5 填充墙的影响。5 0 3 5 本章小结5 l 第四章r c 框架节点的强柱系数抗震评估5 2 4 1 框架梁柱节点的失效机制5 2 4 1 1 概述5 2 4 1 2 节点的失效机制5 3 4 1 3 节点的变形。5 6 4 2 单个节点强柱系数可靠度分析5 7 4 2 1 结构可靠度5 7 4 2 2 破坏准则的选取5 8 4 2 3 单个节点强柱弱梁设计的可靠度5 9 4 3 本章小结6 2 第五章结构体系的强柱系数抗震评估6 4 5 1 评估方法6 4 5 1 1 概j 苤6 4 5 1 2 评估分析流程一6 4 5 1 3 蒙特卡罗法评估强柱系数6 5 5 2 模型建立6 7 5 2 1 框架结构平面布置6 7 5 2 2 设计框架参数一6 8 n 目录 5 2 3 材料性能参数6 9 5 3 评估分析7 1 5 3 1 随机变量和抽样7 l 5 3 2 评估指标7 6 5 3 3 分析程序。7 7 5 4 分析结果7 8 5 4 1 层间需求位移7 8 5 4 2 层间位移能力8 l 5 4 3 需求大于能力的概率8 5 5 5 本章小结8 8 结束语9 0 参考文献9 2 攻读学位期间发表的相关学术论文。9 7 致 射9 8 i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1r c 框架结构抗震设计方法简介 1 1 1 概述 地震作为一种自然灾害，自古迄今，一直是人类的最大威胁。地震的发生在时 间和空间上都是随机的，它是由地壳板块构造的断裂、变形或相邻两板块间的相 互挤压、摩擦产生的，是地球内部构造变化过程中积累的能量和应力在瞬间的释 放过程，并以波的形式传到地表引起地面颠簸和摇晃，从而引起地面运动。地震 引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，这就是地震波。地面运动通过房 屋基础影响上部结构，使结构产生振动，这就是结构的地震反应，包括加速度、 速度和位移的反应。 截止1 9 5 5 年，我国有文字记载的地震达8 0 0 0 余次，其中造成灾害的大震约 达1 0 0 0 次”。在历次地震中，因建筑物的结构布置不合理引起的震害比比皆是。 如果建筑物的平面布置不当造成刚度中心和质量中心有较大的不重合，或者结构 沿高度方向刚度有过大的突然变化，则极易使结构在地震时产生严重破坏。这是 由于过大的扭转反应或变形导致应力集中而引起的”。从建筑结构抗震的发展趋 势来看，施工技术的发展往往领先于结构设计的发展，当前的结构抗震研究的重 要目标是加快发展抗震设计方法，更经济安全地保持地震后的建筑功能”1 。我国 地震区的多层和高层房屋建筑大多数采用钢筋混凝土( r c ) 结构，钢筋混凝土 结构有着优越的综合性能，抗震性能也较好，在地震时所遭受的破坏比砌体结构 的震害轻得多。 r c 框架结构平面布置较规则，与砌体结构相比，结构自身重量轻，整体重 量的减轻能有效减小地震作用，如果设计合理，框架结构的抗震性能一般较好， 能达到很好的延性。但同时由于侧向刚度较小，地震时水平变形较大，易造成非 结构构件的破坏。结构较高时，过大的水平位移引起的p 一4 效应也大，从而使 结构的损伤更为严重，故框架结构的高度不宜过高。框架结构的抗震性能和设计 方法的研究一直受到各国研究人员的重视。因此，在抗震性能研究方面，人们通 过各种静力试验、反复荷载试验和振动台试验，来研究结构在地震作用下的破坏 机理、耗能情况和变形型式，并寻求合理的力学模型和计算方法来反映结构的受 力状态。根据国内外近2 0 年的研究，钢筋混凝土框架可以设计成具有较好塑性变 形能力的延性框架。 华南理工大学硕士学位论文 1 1 2 抗震设计方法发展概况 现代抗震设计方法始于上世纪初，随着人们对地震动和结构反应特性研究的 不断深入，结构抗震理论研究经历了以结构承载力分析为主，发展到兼顾承载力 和结构变形，再到全面分析结构的承载力、变形、损伤和耗能的过程。在一个多 世纪的发展过程中，大致提出了五种主要的抗震设计方法h q ，将各方法的提出 年代、特点等统计如下表。 表1 1 五种抗震设计方法 t a b l el 1f i v ee a r t h q u a k e r e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o d s 名称提出年代特点 基于承载力的 地震分析属于等效静力分析阶段，以结构构件 抗震设计方法 2 0 世纪4 0 年代的强度或刚度是否达到特定的极限状态作为结构失 效准则 以电子计算机的大量普及为基础，认为能量的 传递、转化与吸收是结构地震反应的基本特征，该 基于能量的 2 0 世纪5 0 年代法概念明确、形式简单，能较好地反应地震动的强 抗震设计方法 度、频谱特性，特别是强震持续时间对结构引起的 积累损伤破坏的综合影响 以结构地震动力反应分析为基础，通过地震力 基于延性的 2 0 世纪7 0 年代降低系数尺调整反应谱加速度，来实现不同结构的 抗震设计方法 延性需求 以结构抗震性能分析为基础，根据建筑物的重 基于性能的 2 0 世纪9 0 年代 要性等确定其性能目标，依此提出不同的设防水准， 抗震设计方法使设计的建筑物达到预期目标。其特点是采用多级 设防目标和引入投资一效益准则 损伤抗震设计中引入反映结构损伤程度的某种 基于损伤的 2 l 世纪初 指标作为设计参数，提出地震弹塑性变形与累积滞 抗震设计方法变耗能线性组合的地震损伤模型，以此来反应结构 在地震过程中积累的滞回耗能 1 2r c 框架结构抗震级差措施简介 震害调查分析和结构试验研究表明，钢筋混凝土结构的“塑性铰控制”理论在 2 第一章绪论 抗震结构设计中发挥着愈来愈重要的作用，钢筋混凝土延性框架的抗震级差基本 措施是： ( 1 ) 塑性铰应尽可能出在梁的两端，设计成强柱弱梁； ( 2 ) 避免梁、柱构件过早剪坏，在可能出现塑性铰的区段内，应设计成强剪 弱弯； ( 3 ) 避免出现节点区破坏及钢筋的锚固破坏，要设计成强节点，强锚固。 在地震作用下，框架中塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱子上，但是 不允许同时在梁的跨中再出现铰，否则，将导致结构的局部破坏。在梁端和柱端 的塑性铰，都必须具有延性，这才能使结构在出现塑性铰之后、形成机构之前， 仍可以继续抵抗外荷载的作用。 1 2 1 强柱弱梁 在r c 框架结构基于延性的抗震设计方法中，要求结构有多道防御，使结构 在地震下形成合理的破坏机制。钢筋混凝土框架结构由于梁柱塑性铰出现的顺序 不同而形成两种典型的破坏机构：“梁铰机构”和“柱铰机构”，如图1 1 。前者 也称总体机制或强柱弱梁型，后者也称层间机制或强梁弱柱型。历次震害表明， 柱铰机构的形成是导致框架结构整体失稳甚至倒塌的主要原因。 。 ( a ) 总体机s u ( 梁铰机构) ( b ) 楼层机制( 柱铰机构) 图1 1 框架的两类破坏机制 f i g 1 - 1t w od a m a g em e c h a n i s m so ff r a m e 显然，在楼层机制中，只要有一层柱的上下端均出现塑性铰，该层在大变形 后就有层间破坏的危险；而在总体机制中，不仅个别梁，即使全部梁都出现塑性 铰也不至形成破坏机制，要等梁铰出现大变形，迫使柱子出现塑性铰才能破坏。 3 华南理工大学硕士学位论文 因此，要使钢筋混凝土框架结构能进入弹塑性状态，并能通过结构的塑性变形吸 收地震能量，抗御更高的地震烈度，达到“中震可修”、“大震不倒”的设防目标， 就必须把结构设计成总体机制。为确保结构在遭受地震作用时总能形成总体破坏 机制，在实际设计中要求框架结构节点的上下柱端弯矩的和要大于左右梁端弯矩 的和，“强柱弱梁”就是从计算上乘以柱端弯矩增大系数( 本文简称强柱系数) ， 即用强柱系数对弯矩进行调整，以保障这一原则。 “强柱弱梁”原则的设计要求是，使框架柱端的抗弯承载力大于框架梁端的抗 弯承载力，更准确地应理解为规范通过规定柱梁间弯矩比来控制各构件形成塑性 铰的先后顺序。为实现此原则而进行内力调整的方法是：人为地将同一节点处柱 端在地震作用组合下的弯矩设计值调整为略大于梁端的弯矩设计值。 1 2 2 强剪弱弯 r c 框架梁、柱以及抗震墙可以发生弯曲破坏，也可以发生剪切破坏。配筋 适中弯曲破坏属于延性破坏形式，可以使结构构件在维持较高承载能力的前提 下，具有较大的变形和耗能能力，柱发生弯曲破坏可以拥有较大的非线性变形而 强度和刚度降低较少，有利于抗震。剪切破坏属于脆性破坏形式，柱发生剪切破 坏常常伴随着刚度和强度的较大退化，破坏突然，使结构构件承载能力迅速下降， 变形和耗能能力差，在结构设计中应避免。为此，现代抗震设计思想中提倡“强 剪弱弯”设计，目的就是尽量使结构在遭受强烈地震作用时出现延性破坏形式， 使结构拥有良好的变形能力和耗能能力”。在构件设计时应加强构件的抗剪承 载力，特别是在可能出现塑性铰的部位( 如：梁端、柱端、抗震墙底部等) ，要 使其抗剪承载力大于抗弯承载力，防止地震时构件在受弯屈服前发生剪切破坏。 按照“延性设计”的总体思路，除通过柱弯矩的人为增大希望形成“梁铰机构” 之外，另一项关键措施是在结构达到预计的最大非弹性位移反应之前要求构件截 面不发生非延性失效，即要避免梁、柱构件过早剪坏，为达到这一措施要求，通常 是通过使构件相应部位的抗剪能力得到一定的人为增强来实现，即在设计中乘以 剪力增大系数来实现，本文就简称此系数为强剪系数，这就是“强剪弱弯”措施。 1 2 3 强节点弱构件 为保证框架结构的延性，在“梁铰机构”充分发挥作用以前，框架节点、纵筋 锚固不应发生过早破坏。框架梁柱在节点处连接成整体，因此节点是保证框架有 效地抵御地震作用的关键部位。节点的破坏是脆性破坏，变形能力极差，且同时 使交于节点的杆件失效，严重时会导致框架由于丧失整体性而倒塌，对抗震非常 不利。另外，节点破坏后的修复也比较困难。所以，要使节点有足够的承载能力， 4 第一章绪论 节点的破坏不先于其连接的构件( 梁柱) 的破坏。为此，设计时应使节点的承载 力不低于梁柱的承载力( 即所谓的“强节点弱构件”的概念) 。 r c 框架的梁和柱在节点处采用可以保证弯矩传递的刚接形式连接在一起， 形成框架结构。在竖向荷载和地震作用下，节点核心区承受柱传来的轴向力、弯 矩、剪力和梁传来的弯矩、剪力，处于剪压复合应力状态，当主拉应力超过节点 核心区混凝土的抗拉强度时产生斜裂缝( 由于地震是反复作用，因此为交叉型斜 裂缝) 。如果节点内箍筋不足、核心区抗剪能力不足，就会发生脆性剪切破坏， 表现为节点核心区出现多条严重的交叉斜裂缝、箍筋屈服、斜裂缝间混凝土压碎 剥落、柱内纵向钢筋压屈等一系列破坏现象，从而使节点失效。影响节点核心区 性能的因素很多，有混凝土强度等级、配箍率和剪压比、轴压力、梁及其纵筋滑 移，等等。 震害调查表明，地震时节点的破坏形式主要是节点核心区的剪切破坏和由于 梁纵筋在节点核心区内锚固不足所引起的梁端钢筋锚固破坏。针对这些破坏形 式，节点区抗震设计主要有两方面的内容，即节点核心区的抗剪问题和梁纵筋的 锚固问题。为此，在设计中要体现强节点弱构件的原则，从计算和构造两个方面 加以保证。其要求是：设计时，应使节点的承载力不低于梁柱的承载力；多遇地 震时节点应在弹性范围工作；罕遇地震时节点承载力的降低不得危及竖向荷载的 传递3 1 。 1 3 强柱系数 1 3 1 强柱系数的引入 根据结构动力学的传统定义可知，在一个超静定结构中，只要通过在相应的 杆件部位设铰，将相当于其超静定次数加l 的赘余度消除，该结构就将变为“机 构”或“机动体”。在相应静力荷载作用下，机动体将进入无法控制的运动( 变形) 过程，并迅速倒塌。当然，也可以通过同样的消除赘余量的方法使结构的某一部 分变成机构，在静力荷载作用下，这部分结构或整个结构也将持续变形直至局部 倒塌或整体倒塌。但若所设的铰不是理想铰，而是塑性铰，则因塑性铰仍具有相 应的抗弯能力，该抗弯能力在塑性转动不是过大时还会随塑性转动的增大而略有 增加，因此，形成“机构”后，该机构尚可保持平衡。当然，这种平衡状态的稳定 性并不够好，荷载进一步增大就可能进入持续运动过程，直至最终倒塌或局部倒 塌。 在框架结构的动力反应过程中，因各塑性铰在结构位移过程中将通过塑性变 形耗散地震输入到结构的能量，只要结构在一个位移半循环中达到的峰值位移尚 5 华南理工大学硕士学位论文 未超过有可能引起倒塌的位移界限，结构就将在达到这个峰值位移后进入反向运 动，从而不致倒塌。这可能是塑性铰机构在持续静载的作用下和在动力反应过程 中的一个关键区另| j 。 r c 框架结构在水平地震作用下的破坏机制可以分为两大类型：总体机制 和楼层机制。所谓总体机制，也称为“梁铰机构”的破坏机制，是指框架柱端的抗 弯承载力大于框架梁端的抗弯承载力( 简称“强柱弱梁”) ，在地震时各层框架梁 端首先屈服，梁端塑性铰的转动耗散大量的地震能量，而各层柱在较长时间里基 本处于弹性状态，最后才在底层柱根部出现塑性铰，形成整体的机动体系。楼层 机制，也称“柱铰机构”或“层侧移机构”的破坏机制，是指框架梁端的抗弯承载力 大于框架柱端的抗弯承载力( 简称“强梁弱柱”) ，在地震时梁端处于弹性状态， 框架柱端屈服，并导致某一楼层屈服，形成机动体系。 在图l l 中分别给出了典型化的“梁铰机构”和“柱铰机构”。图l 一1 ( a ) 中 “梁铰机构”的塑性铰出现在所有梁端( 每跨梁一端为负弯矩塑性铰，另一端为正 弯矩塑性铰；正弯矩塑性铰也可能出现在离梁端一定距离处) 以及底层柱底。但 在实际形成梁铰机构的框架结构中，梁铰也可能只在一部分楼层出现，或每跨只 在一端形成负弯矩铰，而另一端的下部受拉钢筋在正弯矩作用下尚未屈服。图i 一1 ( b ) 中“层侧移机构”形成在底层。实际上“层侧移机构”可以在相对最弱的任 何一层形成。 对r c 框架结构进行抗震设计时一定要设计成“强柱弱梁”型，保证结构的屈 服机制为“梁铰机构”，而“柱铰机构”则是要尽量避免的。由1 2 2 节可知，保证 强柱弱梁的级差措施是人为地将同一节点处柱端在地震作用组合下的弯矩设计 值乘以一增大系数，调整为略大于梁端的弯矩设计值，该系数即为强柱系数。由 我国抗震设计规范( g b5 0 0 11 - 2 0 0 1 ) ”定义强柱系数为， ：娶(1-1)r, 2 筑 式中，罗必节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和， 上下柱端的弯矩设计值可按弹性分析分配； 罗地节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之 和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩 应取零。 规范规定，框架结构的强柱系数一级为1 4 ，二级为1 2 ，三级为1 1 。当反 弯点不在柱的层高范围之内时，柱端的弯矩设计值可直接乘以此系数。一、二、 三级框架结构的底层柱下端截面组合的弯矩设计值，强柱系数应分别为1 5 、1 2 5 和1 15 。一、二、三级框架结构的角柱，调整后的弯矩设计值尚应乘以不小于 1 1 0 的增大系数。 6 第一章绪论 1 3 2 强柱系数抗震评估的意义 我国地处环太平洋地震带，属于地震多发国，地震区非常广，全国大部分大 中城市处于地震区。由于城市人口及设施集中，地震灾害会带来严重生命和财产 损失。据资料统计，我国在1 9 0 0 年至1 9 9 0 年间发生破坏性地震7 1 5 起，死亡人 数达6 0 余万人，经济损失惨重，随着社会现代化程度的提高，人口的增加和密 集，地震带来的人员伤亡和经济损失也日趋严重。 我国的抗震设计规范最初是在6 0 年代制订的，后来虽然经过多次修订删改， 在一定程度上有所提高，但与国际上几个国家的抗震规范相比还是偏低，与国际 先进水平还有一定的差距，与我国日益增强的经济状况也不相符。因此，本文研 究了抗震设计中重要的一环“强柱弱梁”级差措施，将其与国际上几个国家的抗震 规范中的规定进行了比较，对单个框架结构的梁一柱组合构件以及三层和六层框 架体系的强柱系数进行了抗震评估，看它能否保证框架结构在地震作用下仍然安 全。另外，经过分析强柱系数与体系失效概率之间的关系，提出了合理强柱系数 的建议。 了解我国强柱系数的取值水平，以及强柱系数与框架结构在地震作用下的失 效概率之间的关系是十分必要的。强柱系数的提高已经迫在眉睫，第一，近年来 我国连续发生多起地震灾害，房屋的倒塌引起的人员伤亡和经济损失不计其数， 而且由于框架结构在我国房屋所占的比例很大，强柱系数的提高更有必要；第二， 对于强柱系数与工程造价的关系，从以前一些研究者研究的成果来看，强柱系数 的提高虽然提高了工程造价，但是合理的强柱系数能有效地减小地震损失，总的 来说是效益大于投资；第三，由于我国经济突飞猛进的发展，为强柱系数的提高 提供了经济上的保障。因此，从近几年的地震情况和长远利益看来，强柱系数的 的提高是十分必要的。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文主要研究了r c 框架结构抗震设计措施中的“强柱弱梁”级差措施，将 我国的强柱系数与国际上几个主要国家抗震规范的强柱系数进行比较，以了解我 国抗震设防水准与国际水平的差距。采用有限元数值模拟，对影响强柱系数的一 些主要因素进行分析，另外，还分析了单个框架节点以及框架体系的强柱系数与 它们各自失效概率之间的关系。并在此基础上提出合理的强柱系数的建议。 1 5 本论文的结构 本论文由以下五章和结束语组成。 7 华南理工大学硕士学位论文 第一章，简单介绍结构抗震和抗震级差措施的研究概况、强柱系数的研究意 义、本论文的研究内容和总体结构。 第二章，将国际上几个主要国家如中国、新西兰、美国等抗震设计规范中的 强柱系数进行了比较。 第三章，分析影响强柱系数的主要因素，采用通用有限元软件a n s y s 分析 轴压比、钢筋超配量、材料非线性以及楼板等的影响。为了验证所采用模型的正 确性，先将其按试验步骤分析并将分析结果与试验数据相比较。另外，从理论上 分析了填充墙的影响。 第四章，对框架结构单个梁一柱组合构件进行强柱系数的抗震评估，得出强 柱系数与节点强柱弱梁可靠度、节点失效概率之间的关系。 第五章，对结构体系的强柱系数进行抗震评估，得出强柱系数与体系失效概 率之间的关系，并提出了经济合理的强柱系数值。 结束语，总结本论文的主要结论及今后的研究方向。 8 第二章国际上主要抗震设计规范中强柱弱梁级差措施比较 第二章国际上主要抗震设计规范中 强柱弱梁级差措施比较 2 1 抗震设防水准 2 1 1 概述 地震之所以造成破坏和损失，主要是由于地震时发生的巨大能量造成地面的 建筑物和各种设施的破坏和倒塌以及由此引起的各种次生灾害。国内外几乎所有 的震例都表明，采用科学合理的工程抗震设计方法和措施是当前减轻地震损失的 最有效措施。 1 9 7 6 年7 月2 8 日在我国一个拥有l5 0 万人口的唐山市，遭遇7 8 级地震的 袭击，顷刻间整座城市化为一片瓦砾，死亡2 4 万余人，造成无法估量的社会心 理创伤。9 年后，l9 8 5 年在智利的瓦尔帕莱索市遭受了同样7 8 级地震的袭击， 这个也有l0 0 余万人口的城市，只有l5 0 人死亡，而且不到一周，整个城市就恢 复原样，同样大小的地震，人口也都超过一百万，产生如此不同的结果，是因为 瓦尔帕莱索市的建筑和设施进行了有效的抗震设防。1 9 8 8 年1 2 月7 日前苏联的 阿美尼亚共和国遭受一次6 8 级地震的袭击，位于震中的斯皮塔克( s p i t a k ) 城 全城变成废墟。距震中4 0 公里的列宁纳次( l e n i n a k e n ) 市约有8 0 的建筑毁坏， 更远的基落伐克( k i r o v a k e n ) 市也有将近一半的建筑物倒塌或严重破坏，地震 中总的死亡人数达4 5 万人。该地区历史上曾发生过数次6 一- 7 级的大地震，在 区划图上也被划分在m s k 烈度表的度地区。但是前苏联政府，特别是城市规 划部门和建设部门，鉴于城市居住建筑严重短缺，又缺乏资金，便在7 0 年代初 期对大量新建的多层建筑降低设防水准，一律从度降到度，而恰恰正是这些 建筑物在地震中大量直落倒塌，造成人员伤亡。 由上述一些震例的对比可以说明以下几个问题。 ( 1 ) 工程抗震是减轻地震灾害和损失的行之有效的措施。历史经验已经屡 试不爽。 ( 2 ) 工程抗震的成效很大程度上取决于所选择的工程设防标准，而工程设 防标准的制订，特别是最低设防标准的制订主要是政府的行为和决策。 ( 3 ) 制订恰当的设防标准不仅需要有可靠的科学和技术的依据( 如确定地 震危险水平，合理的抗震方法和措施等) ，同时要受到社会经济、政治等条件的 制约。 9 华南理工大学硕士学位论文 设防水准的制订要受到很多因素的制约，对于不同的国情、不同的行业的建 筑，抗震设防目标和设计水准是不一样的。首先，采取抗震设防措施或提高抗震 设防水准免不了要增加工程造价，提高建筑成本，我国幅员辽阔，地震区占全国 领土的4 0 左右，如果都提高抗震设防水准就需要增加巨大的投资。第二是这 些投资只有在工程寿命期间( 一般为5 0 年) 遭遇设防地震的袭击时才能见到效 益，也就是说，对工程寿命期内未遭遇地震袭击或未遭遇超过设防烈度的地震袭 击的结构工程和设施，这种抗震设防的投资是没有效益的。这就使工程抗震设防 水准的设定面临一个难题：怎样才能既有效地减轻地震损失，使建筑结构在遭受 地震时不至破坏，同时又能合理地利用有限的资金，取得最佳效益? 这就关系到 抗震设防标准特别是最低标准的制订，要在保证地震安全和取得最佳经济效益两 者之间取得平衡。 2 1 2 抗震性态水准 结构性态水准是建筑物在遭受地震后对其性态的描述，除考虑安全因素外， 还应包括对损失和功能要求的描述。因此，结构的抗震性能大的方面分为三个基 本的水准：使用性、破坏控制和安全性。使用性是在建筑物遭遇常遇地震时，保 证建筑物的使用功能和良好的居住环境，这是建筑所应具有的基本要求；破坏控 制要求建筑物在遭遇偶遇地震作用时，建筑物出现的损伤和破坏要控制在可接受 的范围内，即要保证结构的功能连续，经修复后可以继续使用；安全性是建筑物 在遭受罕遇地震时，要求保证建筑物内外人员的安全。建筑物的性态是结构性态、 非结构性态和体系性态以及建筑物内容物性态的组合。抗震等级不同的建筑物在 遭遇地震时的破坏程度是很不相同的，根据建筑物在地震以后从出现损伤直到倒 塌较广范围内的不同的表现，又可以分为6 个性态水准”。 2 1 2 1 损伤出现 这个性态水准所对应的状态是在结构体系中或非结构体系中开始出现需要 修复的损伤。到这一状态为止出现的一些损伤是可以接受的，即之前这些损伤应 是从外观、功能和安全角度都不需要修复的。有些机构从今后地震的角度考虑或 从其它是否对生命构成威胁的环境条件所造成的退化的角度考虑，可能对这一极 限状态给出过不完全相同的定义，认为该状态出现的损伤需要修复。 2 1 2 2 正常居住 达到这一性态水准的建筑物预计其结构体系或非结构体系只受了很轻的损 伤或没有损伤。建筑物仍像原来那样适于居住和使用，只有极少的需要修复或修 l o 第二章国际上主要抗震设计规范中强柱弱梁级差措施比较 补的破损。这一性态水准假定从建筑物外部能正常获得维持建筑物功能的动力、