（市政工程专业论文）基于非线性地震响应分析的RC框架损伤评估及抗震设计.pdf

基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计 摘要 近年来，随着社会的快速发展，人口和社会财富向城市高度集中，城市数量 急剧上升、规模不断扩大，在这些地区发生地震，势必造成严重的后果。国内外 几次大地震的震害调查都表明地震给人类带来了巨大的精神与财产损失。而由此 引发了工程界对现有结构抗震设计方法存在的不足进行深刻的反思，进一步探讨 更加完善的结构抗震设计思想和方法成为一种迫切的需要。 建筑物的倒塌是造成人员伤亡和财产损失的直接原因。合理的抗震设计应该 使得结构在多遇地震作用下，其主要受力部件不致有严重损坏，并在意外灾难性 大地震下，主体结构能“坏而不倒”。地震动引起的结构响应是一个复杂的振动 过程，对于地震所导致的结构损伤破坏也应在这一过程中进行考察，而不能仅靠 规范所给出的强度和变形准则就完全判断。现行抗震规范所规定的弹塑性变形验 算是基于建筑物的倒塌是由于其最大的变形超过极限这一认识上的。但就目前研 究来看，较为合理的认识应该是结构的破坏是基于其最大位移和累积耗能的综合 影响结果。因此，选择怎样的物理量来较为确切的表达地震下结构的损伤破坏程 度是一个相当关键的问题。基于非线性动力响应分析技术的结构损伤评估为解决 这一问题提供了一个可行的办法。 本文回顾和总结了钢筋混凝土结构非线性地震响应及损伤评估的主要研究 成果，对基于结构损伤度的抗震设计方法进行了探讨，结合现行抗震规范关于“大 震不倒”的计算要求，对一幢多层和一幢小高层钢筋混凝土框架结构建筑物进行 了多种工况下的非线性地震时程响应计算，并对结构的累积损伤破坏进程进行了 跟踪模拟，给出了大震作用下结构的时程响应和其各构件的局部损伤程度时空分 布以及开裂、塑性铰的位置分布等。从计算实例的分析结果可以看出，罕遇地震 作用下，在控制结构塑性变形的同时，还应考虑结构对地震能量的耗散机制，这 应是结构进入非线性变形阶段进行抗震设计所必须重视的一个问题，在以后的规 范修订中也应有所体现，这样，“大震不倒”才更有保证。 关键词：钢筋混凝土框架结构非线性地震响应地震损伤评估大震不倒 d a m a g e e v a l u a t i o na n ds e i s m i c d e s i g n o fr cf r a m e sb a s e d o nn o n l i n e a rs e i s m i c r e s p o n s ea n a l y s i s r e c e n t l y , w i m t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , m o r ea n dm o r ep e o p l ea n dp r o p e r t y h a v ec o n v e r g e di nc i t i e sa n dm o r ea n dm o r en e wc i t i e sa p p e a r o n c ee a r t h q u a k e h a p p e n si n t h e s ea r e a s ，t h ea f t e r m a t hw i l lb ev e r ys e r i o u s i nt h ew o r l d ，s e v e r a l e a r t h q u a k e s r e c o n n a i s s a n c er e p o r t ss h o w t h eh u g es p i r i ta n dp r o p e r t yl o s si n d u c e d b y e a r t h q u a k e s s o ，m a n ye n # n e e r sh a v eb e e nd e v o t e dt o t h er e s e a r c ho fs t r u c t u r a l s e i s m i c d e s i g n m e t h o d t oa c h i e v em o r e a p p r o p r i a t e s t r u c t u r a ls e i s m i c d e s i g n t h o u g h t sa n d m e t h o d sh a sb e c o m ea n u r g e n t n e e d t h ec o l l a p s eo fb u i l d i n g s b r i n g s o nt h ec a s u a l t ya n dl o s so fp r o p e r t y t h e r e a s o n a b l es e i s m i cd e s i g nm a ym a k et h em a i np a r t so fs t r u c t u r e sh a v eb e e nn o t s e r i o u s d a m a g e du n d e rf r e q u e n te a r t h q u a k e sa n dn o tc o l l a p s e du n d e ri n f r e q u e n t e a r t h q u a k e s t h es e i s m i cr e s p o n s eo f s t r u c t u r e si sac o m p l e xv i b r a t i o np r o c e s s ，s ot h e e a r t h q u a k ed a m a g e o fs t r u c t u r e ss h o u l db ed e l i b e r a t e di nt h i sp r o c c s s ，w h i l en o to n l y w i t h s t r e n g t h o rd e f o r m a t i o ni n d e xt od e s c r i b e c o m p l e t e l y t h ee l a s t o - p l a s t i c d e f o r m a t i o nc h e c k i n g c o m p u t a t i o n i n c l u d e di nt h ea c t u a ls e i s m i cc o d ei sb a s e do nt h e k n o w l e d g e t h a tt h ec o l l a p s eo f b u i l d i n g si sb e c a u s e t h em a x i m a ld e f o r m m i o ne x c e e d s t h el i m i t a t i o n b u tt ot h er e s e a r c ha tp r e s e n t ，t h em o r er e a s o n a b l ec o g n i t i o ni st h a tt h e d a m a g eo f s t r u c t u r e si sa ni n t e g r a t i v ei n f l u e n c er e s u l to ft h em a x i m a ld i s p l a c e m e n t a n dc u m u l a t i v ee n e r g y s o ，w h a tt ob ec h o s e nt or e p r e s e n tt h ee a r t h q u a k ed a m a g eo f s t r u c t u r e sa p p r o p r i a t e l ym a yb eac r i t i c a lp r o b l e m t h es t r u c t u r a ld a m a g ee v a l u a t i o n b a s e do nn o n l i n e a rd y n a m i cr e s p o n s em e t h o do f f e r saf e a s i b l ew a yt os o l v et h i s p r o b l e m i nt h i st h e s i s ，t h en o n l i n e a rs e i s m i c r e s p o n s ea n dd a m a g ee v a l u a t i o no fr c s t r u c t u r e sa r er e v i e w e d ，a n dt h e nas e i s m i cd e s i g nm e t h o db a s e do ns t r u c t u r a ld a m a g e h a sb e e nd i s c u s s e d ，w i t ht h en e e df o r n oc o l l a p s eu n d e ri n f r e q u e n te a r t h q u a k e s w h i c hi si n c l u d e di nt h ea c t u a ls e i s m i cc o d e ，t h en o n l i n e a rs e i s m i ct i m e h i s t o r y r e s p o n s eo fam u l t i f l o o r sa n dah i g hr cf r a m es t r u c t u r eh a sb e e nc o m p u t e du n d e r s e v e r a lc o n d i t i o n sa n dt h ec u m u l a t i v e d a m a g ep r o c e s s h a sb e e ns i m u l a t e d t h e s t r u c t u r a lt i m eh i s t o r yr e s p o n s e 、t h et i m ea n ds p a c e sl o c a ld a m a g ed i s t r i b u t i o na n d t h ec r a c kl o c a t i o n 、p l a s t i ch i n g ed i s t r i b u t i o ne t c a l eo f f e r e d b a s e do nt h ea n a l y s i s r e s u l t so fe x a m p l e s ，w ec a nd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h es t r u c t u r a lp l a s t i cd e f o r m a t i o n s h o u l db ec o n t r o l l e da n dt h ee a r t h q u a k ee n e r g yd i s s i p a t e db yt h es t r u c t u r e ss h o u l d a l s ob ec o n s i d e r e du n d e ri n f r e q u e n te a r t h q u a k e s t h i sc o n c l u s i o ns h o u l db ec a r e d w h e nw ec o n d u c tas e i s m i cd e s i g na n di nt h ef u t u r es e i s m i cc o d er e v i s i o n ，s o n o c o l l a p s eu n d e ri n f r e q u e n te a r t h q u a k e s ”s h o u l d b em o r er e l i a b l e k e yw o r d s ：r e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m es t r u c t u r e 、n o n l i n e a rs e i s m i cr e s p o n s e 、 e a r t h q u a k ed a m a g ee v a l u a t i o n 、1 1 0c o l l a p s eu n d e ri n f r e q u e n te a r t h q u a k e s 一 硕l 学位论文2 0 0 4 基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 第一章引言 1 1 研究背景及意义 地震是一种自然现象。当地下某处岩层突然破裂、局部岩层塌陷以及火山喷 发等发出了振动，并以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃，这种地面运动 就叫做地震。 1 1 1 震害及其调查 近年来，随着社会的快速发展，人口和社会财富向城市高度集中，城市数量 和规模都不断扩大，在这些地区发生地震，势必造成严重的后果。1 9 7 6 年我国 河北唐山发生m 7 8 级大地震，导致4 0 多万人伤亡，财产损失和灾后重建工作 费用达数百亿元人民币。1 9 9 4 年美国加州北岭m 6 7 级大地震6 0 多人死亡，经 济损伤达1 6 0 多亿美元。1 9 9 5 年日本阪神m 7 1 级大地震死亡5 0 0 0 多人，伤2 4 0 0 0 多人，所造成的经济损失高达1 0 0 0 亿美元。1 9 9 9 年我国台湾集集发生m 7 3 大 地震。死亡2 3 0 0 多人，伤1 0 0 0 0 多人，直接经济损伤达1 2 0 亿美元。这些世界 灾难引起工程界对现有结构抗震设计方法存在的不足进行了深刻的反思，进一步 探讨更加完善的结构抗震设计思想和方法成为一种迫切的需要。 众多的地震震害调查资料表明，建筑物的倒塌是造成人员伤亡和财产损失的 直接原因。建筑结构在强烈地震作用下，往往处于大变形的非弹性状态，人们一 直希望根据实际地面运动记录对结构进行弹塑性地震反应分析，逐渐认识结构从 弹性、开裂、屈服直至破坏、倒塌的全部反应过程，从而确定相应的结构抗震设 防标准，使结构在多遇地震作用下，其主要受力部件不致有严重损坏，并在意外 灾难性大地震下，主体结构能“坏而不倒”。 1 1 2 我国抗震设计的变迁 回顾往营，1 9 5 9 年和1 9 6 4 年，我国参考前苏联的地震区建筑抗震设计规 范前后两次编制了包括各类工程结构的地震区建筑抗震设计规范( 草案) ， 虽然没有对外正式颁布，但对工程抗震设计仍起到了一定的作用。1 9 7 4 年，我 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 国正式颁布了第一本工程抗震设计规范工业与民用建筑抗震设计规范 ( t j l l - 7 4 ) ，从而使得我国的结构抗震设计向规范化方向发展迈出了重要的一 步。以下是我国主要抗震设计规范的颁发年表： 1地震区建筑抗震设计规范( 草案) ，1 9 5 9 年 2地震区建筑抗震设计规范( 草案) ，1 9 6 4 年 3 工业与民用建筑抗震设计规范( t j l l 7 4 试行) ，1 9 7 4 年 4 工业与民用建筑抗震设计规范( t j l l 7 8 ) ，1 9 7 8 年 5建筑抗震设计规范( g b j l l - 8 9 ) ，1 9 8 9 年 6建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) ，2 0 0 1 年 如今，我国现行的建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 【1 1 初步建立了以 可靠度理论为基础的抗震设计方法以及“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三 水准、两阶段设计准则。 对于各类建筑结构的抗震计算( 特别是大震下的结构计算) ，现行规范规定： 1 高度不超过4 0 m 、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构， 以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。 2 除1 款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。 3 特别不规则的建筑、甲类建筑和表1 所列高度范围的高层建筑，应采用时程 分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与 振型分解反应谱法计算结果的较大值。时程分析所用地震加速度时程曲线的 最大值按表2 采用。 4 结构在罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算，应符合下列要求： ( 1 ) 下列结构应进行弹塑性变形验算： 1 ) 8 度i i i 、i v 类场地和9 度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架。 2 ) 7 9 度时楼层屈服强度系数小于0 5 的钢筋混凝土框架结构。 3 )高度大于1 5 0 m 的钢结构。 4 ) 甲类建筑和9 度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构。 5 ) 采用隔震和消能减震设计的结构。 ( 2 ) 下列结构宜进行弹塑性变形验算： 1 ) 表1 所列高度范围且属于表3 所列竖向不规则类型的高层建筑结构。 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 2 ) 7 度i i i 、i v 类场地和8 度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构。 3 )板柱一抗震墙结构和底部框架砖房。 4 )高度不大于1 5 0 m 的高层钢结构。 5 结构在罕遇地震作用下薄弱层( 部位) 的弹塑性变形计算，可采用下列方法： ( 1 ) 不超过1 2 层且层剐度无突变的钢筋混凝土框架结构、单层钢筋混凝土柱 厂房可采用简化计算法。 ( 2 ) 除1 款以外的建筑结构，可采用静力弹塑性分析方法或者弹塑性时程分 析法等。 ( 3 ) 规则结构可采用弯剪层模型或者平面杆系模型，属于本规范规定的不规 则结构应采用空间结构模型。 6 结构薄弱层( 部位) 的弹塑性层间位移的简化计算，宜符合下列要求： ( 1 )结构薄弱层( 部位) 的位置可按下列情况确定： 1 ) 楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层。 2 ) 楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层( 部 位) 和相对较小的楼层，一般不超过2 3 处。 3 )单层厂房，可取上柱。 ( 2 )弹塑性层间位移可按下列公式计算： a u p = r , a u , 或者 驴- u y = 孕 ，y 其中： “。弹塑性层间位移 “。层间屈服位移 楼层延性系数 虬罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移 巩弹塑性层间位移增大系数，当薄弱层( 部位) 的屈服强度系数不小于相 硕士学位论文2 0 0 4 基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 邻层( 部位) 该系数平均值的0 8 时，可按表4 采用。当不大于该平均值 的o 5 时，可按表内相应数值的1 5 倍采用。其他情况可采用内插法取值。 善。楼层屈服强度系数 7 结构薄弱层( 部位) 的弹塑性层间位移应符合下式要求： a u p 怫j 其中： 砟 弹塑性层问位移角限值，可按表5 采用。对钢筋混凝土框架结构，当 轴压比小于o 4 0 时，可提高1 0 ，当柱子全高的箍筋构造比本规范规 定的最小配箍特征值大3 0 时，可提高2 0 ，但累计不超过2 5 。 薄弱层楼层高度或者单层厂房上柱高度。 表1 采用时程分析的房屋高度范围 烈度、场地类别房屋高度范围( m ) 8 度i 、i i 类场地和7 度 8 度i i i 、i v 类场地 1 0 0 8 0 9 度 6 0 注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为01 5 9 和0 , 3 0 9 的地区 表3 竖向不规则的类型 不规贝i j 类型定义 侧向刚度不规则 该层的侧向刚度小于相邻上一层的7 0 ，或 者小丁其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的 8 0 除顶层外，局部收进的水平向尺寸大 于相邻下一层的2 5 硕上学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江人学 竖向抗侧力构件不连续 楼层承载力突变 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( 梁、桁架等) 向下 传递 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一 楼层的8 0 表4 弹塑性层间位移增大系数 每 结构类型总层数或者部位 0 50 4o 3 2 4i 3 01 4 01 6 0 多层均匀框架结 5 11 5 01 6 51 8 0 构 8 1 21 8 02 0 02 2 0 单层厂房上柱 1 3 01 6 02 0 0 表5 弹塑性层间位移角限值 结构类型 单层钢筋混凝土柱排架 钢筋混凝土框架 底部框架砖房中的框架抗震墙 钢筋混凝土框架抗震墙、板柱一抗震墙，框架 核心筒 钢筋混凝土抗震墙、筒中筒 多、高层钢结构 1 3 0 1 5 0 i 1 0 0 1 1 0 0 1 1 2 0 l ，5 0 由上述条文可见，现行规范已明确规定在中震特别是大震作用下，允许结构 进入非弹性的工作阶段，即结构可以通过塑性变形来耗散掉地震输入的能量。因 此，结构的非线性地震反应研究具有重要的意义。 1 1 3 抗震设计的发展 值得指出的是，长期以来，在钢筋混凝土结构抗震设计中，控制最大变形的 设计思想被广泛采用。目前，多数国家的抗震设计规范以结构变形作为保证建筑 功能要求( 在中、小地震作用下) 和防止倒塌( 在大地震作用下) 的主要指标。 由于建筑结构的地震破坏评估采用位移首次超越破坏准则，人们进行结构地震反 硕上学位论文2 0 0 4 基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 应分析的主要目的在于获取结构的最大位移反应，因此在工程实际中，结构地震 反应的分析方法一直以振型反应谱分析法或者以此为基础的其它近似方法为主， 这对于线性系统取得了较好的效果。随着对结构地震破坏机理研究的深入，人们 已逐渐认识到位移首次超越单一指标破坏准则的局限性。许多结构试验及实际的 地震震害均表明，结构在地震作用下发生破坏往往是由大的荷载幅值和往复的循 环加载效应的联合作用所引起的。目前对结构地震破坏比较一致的看法是基于位 移首次超越和塑性累积损伤的双重破坏机制。人们所关心的结构反应量已不仅是 最大位移，还有滞回耗能、累积延性等反映结构塑性累积损伤的指标，可以说需 要关心结构反应的整个时间过程所提供的信息。 另外，虽然现行抗震规范允许考虑结构的塑性变形能力并给出了罕遇地震作 用下的结构弹塑性变形验算，但此分析方法没有充分考虑结构变形能力随低周疲 劳次数增加而降低这一现象，忽略了地震动持时的影响。 由此可见，传统的基于线弹性动力分析理论，采用最大位移反应单一指标的 抗震设计做法已不能适应结构抗震理论发展的需要。 近年来由美国学者提出的基于性能的抗震设计( p e r f o r m a n c e b a s e ds e i s m i c d e s i g n ) ( 1 9 9 5 ) 1 2 j 思想指出：结构的抗震设计( 特别是大震下) 不能仅仅只做 结构的强度与变形验算，而应该采用主动设计的思想，系统的考虑抗震设防标准 以及结构的抗震性能和经济性能，以满足不同用户对结构提出的各种性能要求。 基于性能的抗震设计要求掌握结构及其各构件的损伤状况。为了预估结构物在大 震下可能产生的破坏情况，我们需要建立一套完整的结构损伤评估体系，来评估 结构的地震损伤程度。 结构的非线性动力时程响应分析为了解结构从弹性、开裂、屈服直至破坏、 倒塌的全过程，掌握结构损伤的时间、空间分布状况，以及促使结构抗震设计向 基于性能的设计方向发展提供了有力支持。 1 2 本文所作的工作 本文主要进行了基于非线性动力响应分析的钢筋混凝土框架结构损伤评估 及抗震设计的研究。 第一章为引言，在提及国内外的几次大震灾的基础上，对现行建筑结构抗震 规范关于地震作用下结构的抗震计算条文进行了说明，并指出了其不足之处。然 硕上学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江人学 后大致说明了本文要研究的相关内容及意义。 第二章对近年来国内外几次大的地震作了简要震害小结( 主要针对钢筋混凝 土结构) ，包括我国的唐山大地震、台湾集集地震、美国的北岭地震以及日本的 阪神地震，由此更加强调了本文研究工作的意义所在。 在此基础上，第三章则主要从理论上探讨了钢筋混凝土结构的非线性动力响 应分析方法，对结构整体计算模型、构件单元模型、恢复力模型以及非线性动力 微分方程的求解等问题作了详尽阐述，为接下去的结构损伤状况评估奠定了基 础。 第四章则着重探讨了对于钢筋混凝土结构在地震往复荷载作用下进行损伤 状况模拟的理论与方法，回顾与总结了国内外学者在这一领域的研究成果，对各 种损伤评估模型的优缺点及适用性进行了研究。 在前面几章的基础之上，第五章探讨了基于结构损伤度的抗震设计方法。针 对目前典型的建筑结构型式，选择了一个多层和一个小高层框架结构，运用合理 的非线性动力分析及损伤评估模型进行了多种工况下的地震响应分析计算，评价 了结构的地震反应结果及其损伤状况，给出了诸如结构的顶层位移时程曲线、最 大层间位移、构件的弯矩一曲率关系、结构各杆件损伤发展的时间、空间分布情 况等结果，得到了一些有益的结论，并结合现行抗震设计规范的有关条文进行了 对比分析。 最后章总结了本文所做的工作，给出了一些结论与建议，并为今后进一步 开展深入的研究提出了设想。 硕十学位论文2 0 0 4基于非线性地震响麻分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江丈学 第二章国内外地震震害小结 地震造成的灾难是惨重的。在近年来世界各国的几次大地震中，相当多经过 抗震设计的结构遭到破坏，充分暴露出各国抗震设计规范的不足。以下是国内外 几次大地震的简要震害小结( 主要针对钢筋混凝土结构) 。 2 1 中国唐山地震( 1 9 7 6 ) 1 3 1 1 9 7 6 年7 月2 8 日凌晨3 时4 2 分，我国河北省唐山市发生了m 7 8 级的强烈 地震。震中位于唐山市区东南部，市区部分险入地震烈度高达1 1 度的极震区， 房屋建筑普遍倒塌，死亡人数2 4 万多，重伤1 6 万多，是中国乃至世界历史上伤 亡惨重的罕见大地震。 唐山7 8 级地震之后，又在滦县与宁河分别发生了7 1 级和6 9 级地震，震 害是多次强震的综合作用结果，遍布唐山外围十余个县，波及北京、天津、秦皇 岛等重要城市。震前唐山市的基本烈度定为6 度，因而各类多层钢筋混凝土框架 结构大多未按抗震要求进行设防。震后出现大量房屋倒塌，灾情严重。下面分别 是唐山市各类民用建筑震害表( 表6 ) 与不同烈度区民用建筑震害程度表( 表7 ) 。 表6 唐山市各类民用建筑震害表 袤7 不同烈度区民用建筑震害程度表 l ll o987 倒塌率破坏率倒塌率破坏率倒塌率破坏率倒塌率破坏率倒塌率破坏率 ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) 苴 层 9 9 5l o o8 7 29 7 74 3 05 3 3 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 砖 房 多 层 8 1 89 8 27 0 09 9 41 8 79 0 15 2 94 0 0 砖 房 内 框 架 1 0 01 0 07 9 49 4 34 3 o8 5 8 房 屋 空 旷 7 7 91 0 03 9 09 1 o1 2 o8 8 0l o o4 0 0 房 屋 农 村 房 9 4 08 9 07 3 04 9 0 屋 8 9 89 9 97 1 39 5 22 9 28 1 26 2 04 3 0 均 多层砖房是唐山地震区城镇房屋的主要建筑结构形式之一，一般作为居住、 办公、学校和医院等。这次地震中，多层砖房的破坏极为严重，在唐山市区，多 层砖房大量倒塌，地震波及区的砖房也受到不同程度的破坏。 内框架结构是指房屋四周由砖墙，内部由钢筋混凝土梁柱承重的结构。多层 内框架房屋的震害也比较严重，下面是唐山地区内框架房屋破坏一览表( 表8 ) 。 表8 唐山地区内框架房屋破坏一览表 破坏程度 烈度地点合计 倒塌严重中等轻度完好 1 0 1 l唐山市4 7722l5 9 古冶、宁 93328 河 滦县、丰 833 润 昌黎、秦 71821 l 皇岛 合计5 4 71 3618 l 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架攒伤评估及抗震设计浙江大学 场地条件对内框架房屋的震害有明显影响。唐山市区倒塌的4 7 幢房熙中没 有一瞳建予基岩之上，恧来倒堤豹控撞中，有8 壤直接建予大城凌彝风鬣由瓣 近。另外，单排柱到顶内框架房屋的震害比多排柱到顶的熏，上层为砖混结构和 空矿房蓬款震害较獯。荠显，蠹翟黎痔霍翡震害大多数都怒上法重予下层，溘嚣 是内框架房屋最先破坏的部位。 在9 、1 0 度区，框架结构遭受了中等、严重破环甚至翻溻。据有关调查驻示， 5 7 憔多层钢筋混凝土框架厂房中，商7 幢倒塌、1 幢部分倒塌、严熏破坏1 3 幢、 中等破坏8 幢。震密与建筑结构的平面布鬣密切相关。框架震害“上轻下燕”。 在1 5 幢中等破坏程度以上的厂房中，5 幢s 层框架瓣破坯繁中发生在第2 、3 层。 节点或者柱端混凝土严重压碎，钢筋严重压屈，节点破坏后柱端水平断裂、锚位， 填兖壤露终妒墙有鞠基破舔。梁娃皴嚣罄位主要在粱端窥穰矮，柱戆震害谤援明 显冀于梁，尤以阳角角柱和边列柱的破坏最为严重。承受羹力的竖向构件( 柱) 豹破坏，造成整个攥粲结构豹镄竭，狠少有倒塌嚣砾离原绪孝每位置较远豹 斋况。 据此可以得到下列倒塌机理：水平地震运动的往复作用破坏了结构成为局部或者 整体可动机构，而暇后倒塌则主要怒结构丧失了承受竖向载荷的能力所致。 2 ，2 美国l | ：岭地震( 1 9 9 4 ) 1 4 】 1 9 9 4 年1 月1 7 日凌晨4 时3 1 分，美国加州洛杉矶西北郊区发艇了m 6 6 级 强熬地震。震中位 ：细髑圣舞尔南多西南3 0 k i n 处，主震盾又发生了多次大的余 震。此次地震被称为荚国历史上造成破坏损失最严羹的一次自然灾害。地震造成 6 3 人死亡，9 0 0 0 多人受伤，经济损伤达1 6 0 多亿美元。 j e 岭蟪震使洛杉砚地区终3 0 0 0 蠖各秘类型戆建筑甥蹬瑷闯题，其孛惫旗框 架结构，剪力墙结构，钢结构，配筋与未配筋的砖结构等。自振周期与地面运动 特鬣弱麓接邋鹃2 3 层豹本粲密攫，3 5 蒺混凝主框架及5 8 麓的混舍结构 破坏特别严熏。缺乏延性部件和适当抗震体系的钢混框架结构，缺少适当抗震体 系馥及冗余麓不够瓣颈镧结构，没有翱西到蕊代蕊藏要求水准的未鬣筋砖结构的 破坏特别严麓。一些建筑虽然加固达到现代嫂范的要求水准，但由。予这次地震虼 实际最大振幼值超出估计值，也发生了定程度的破坏。2 3 层术架房屋发生 严耋玻蓼翻倒爆是由予缺乏逶当侧起挠力体系，没蠢鬟孝是支撑彝剪力蘧，地綦浅， 第一层的开问过大等。框架结构和使用剪力墙的混合结构发缴结构性破坏主鼷是 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 由于梁、柱连接不好，强梁弱柱，剪力墙之间的耦合有问题，框架细部设计不好， 缺少侧限钢筋等。不对称结构，混合结构以及平板型结构的破坏则更重。 这次地震中结构震害比较突出的是停车层，至少有3 座三层立体停车场一塌 到底，还有多座停车场遭到破坏，楼板塌落，无法使用。如加州州立大学的停车 场，内柱无箍筋，断裂致使停车场向内倒塌，外柱因钢筋足而弯曲未断裂。位于 震中的加州州立大学的多座现代化建筑物如计算中心、图书馆、实验教学楼等因 结构性破坏而无法使用。曾经作为两届奥林匹克运动会主会场的市体育场，在过 去的地震中没有破坏，而在这次地震中遭到结构的破坏，如看台裂开、支柱裂缝、 巨大的电视屏倒塌和正门开裂等。有一购物中心遭到严重破坏，部分塌落。 值得一提的是一幢整个刚度、强度和延性的垂直向分布都很不均匀的6 层建 筑。此建筑上部4 层为剪力墙结构，下部2 层为框架结构，上面4 层的刚度比下 面2 层大l o 倍，柱子使用了普通箍和螺旋箍两种，在1 9 7 1 年地震中遭受了严重 破坏，破坏主要集中在下部两层中，大部分普通箍的柱子发生严重破坏，当时记 录到的地面加速度为o 3 9 和0 4 4 9 。1 9 7 1 年地震之后，对这座倒塌了的建筑用钢 板剪力墙进行了加固重建，北岭地震中虽然该处地面加速度高达0 8 2 9 ，结构顶 层的地震反应达到2 3 9 ，超出1 9 7 1 年地震时的数值许多，但整个结构却末受到 严重破坏。 2 3 日本阪神地震( 1 9 9 5 ) 【5 】 日本是世界上地震最多的国家之一。由于日本列岛位于欧亚和太平洋两大板 块边界区，受到北美、菲律宾海和欧亚板块的冲撞挤压，特别是太平洋板块每年 以1 0 e m 速度移动，同时日本的部、道、府、县所在地城市下面多数有活断层， 因而日本的地震大多属于“板间地震”和“板内构造地震”两大类，其中尤以后 者的震灾为重。据统计，日本约每1 5 年发生一次8 级以上地震，每年发生l 2 次7 8 级地震和1 5 次6 7 级地震，约占全球地震的1 0 。 1 9 9 5 年1 月1 7 日凌晨5 时4 6 分，日本兵库县南部发生了m 7 2 级强烈地震。 震中在神户市西南1 5 k m 的淡路岛北端。神户市有几条东北一西南向活动断层， 在主震发生后，这些断层不断发生余震，最大地面水平速度为5 5 1 c m s ，最大地 面水平位移为2 2 7 c m ，其相应的垂直位移为6 4 e r a ，最大水平加速度为8 3 3 9 a l ， 最大竖向加速度为3 3 2 9 a l 。短短的l o 多秒钟，强烈地震波的冲击给神户市带来 硕十学位论文2 0 0 4 基于非线性地震响戍分析的r c 框架损伤评估及抗震设汁浙江大学 了灾难性的打击。据报道，死亡5 4 8 8 人，伤2 4 5 2 3 人，直接经济损失约1 0 0 0 亿美元( 表9 ) 。平时对灾害有所准备的大城市，震害竟造成如此巨大的损失和 破坏，实在是出乎人们的意料，也引起了日本有关方面的关注。 表9 阪神大地震直接经济损失分类统计 ( 据中国赴日地震考察团) 类别经济损失( 亿美元) 建筑物( 住宅、店铺、办公楼等) 港湾设施 交通设施( 高速道路、铁路) 公共士木设施 文教设施 电气 上、r 水及其它 6 5 6 1 0 5 1 2 5 3 0 2 7 2 4 3 3 合计1 0 0 0 日本从1 9 8 4 年开始采用现行抗震设计法，神户市存在着新老规范设计并存 的建筑。阪神地震对建筑物的破坏十分严重，仅次于1 9 2 3 年发生的关东大地震。 遭受地震破坏的建筑物总数达1 0 6 8 1 2 幢，其中，3 8 3 2 1 幢完全倒塌，4 8 5 4 6 幢部 分倒塌，1 4 0 8 1 幢部分损坏，5 8 6 4 幢烧塌。从宏观来看，中低层的房屋破坏相当 严重，其中包括钢筋混凝土结构的住宅、商场、体育馆、电影院、办公楼等。高 层、超高层的钢结构、劲性钢筋混凝土( s r c ) 结构、低层钢结构停车场等相对 破坏比较轻微。 在这次震中地区的钢筋混凝土结构大体包括框架结构、框架一剪力墙结构、 装配式大板结构等，以下分别进行介绍。 1 钢筋混凝土框架结构 神户区7 8 层框架结构较多，这次地震破坏相当严重。主要现象为钢筋混 凝土柱的混凝土压碎，纵向钢筋压屈。这次地震出现了一个显著的现象：中间层 破坏。据调查，中间层坍塌的钢筋混凝土结构为3 0 幢，约占6 。仅神户中央 区就有十余幢( 多为6 l l 层) 建筑为这种类型的破坏，破坏多在3 7 层之间 的某一层柱子崩坏而坍塌。这些建筑大部分建于上个世纪6 0 年代，设计采用的 是1 9 5 1 年颁布的老规范，按1 9 8 1 年颁布的新规范设计的建筑物未发生此类破坏。 其原因可能是按老规范设计沿高度方向的剪力系数均相同，按最小配筋率规定设 硕十学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 计，中间层强度低于现行规范要求的最低值( d = o t 3 ) ，因此水平抗弯强度不足 的中间层的柱子崩坏，劲性混凝土结构的型钢与钢筋转换的柱子断面处抗水平力 明显减弱而导致破坏，竖向振动也可能是促进其破坏的一大因素。 框架结构的震害除上述情况外，也有部分房屋发生倒塌，原因主要为： ( 1 )强梁弱柱，柱发生破坏导致框架中间层倒塌。 ( 2 )刚度突变层，如劲性钢筋混凝土结构变为钢筋混凝土结构的变化层。 ( 3 )地震力沿高度分布不合理，也有不少框架结构整体倾斜倒塌。 另外，纵观阪神地震中遭受严重破坏和倒塌的结构，均可发现柱子配箍率太 低，许多柱箍筋间距达3 0 0 m m ，并且多数箍筋采用9 0 度弯钩。这样除了造成柱 子本身抗剪强度不足之外，也起不到防止纵筋压屈和高轴压比下约束混凝土以提 高其变形能力的作用。由此可见，框架柱箍筋在框架结构抗倒塌中起着至关重要 的作用。 2 钢筋混凝土框架一剪力墙结构 神户市框架一剪力墙结构并不很多，以神户市海上防灾中心办公楼为例，地 上8 层，连梁与剪力墙连接处严重剪切破坏，首层剪力墙端部混凝土压碎，钢筋 压屈暴露，同时由于地基下沉，局部建筑物产生倾斜，与剪力墙连接的框架梁全 部拉断。框架结构主体部分未发现严重破坏，由于有了剪力墙，增加了竖向和横 向承载力，框架结构得到一定的保护。其他框架一剪力墙结构的破坏，大部分由 于地基液化造成结构整体失稳而倒塌。 3 装配式大板结构 这类结构大部分为居民住宅，属于5 0 6 0 年代建成的一批住宅小区。这种 结构9 0 以上破坏倒塌，主要由于焊接节点严重拉开，伴随地基液化下沉，装 配式大板分离倒塌。 另外，这次地震中有许多多层房屋的破坏特点是底层馈塌而以上各层整体坐 下没倒塌。这种破坏是典型的薄弱底层破坏，多见于底层百货的商住房屋。还有 旧式木结构民宅大量倒塌，不少剪力墙端柱以及边缘构件压坏，相邻建筑碰撞破 坏，两栋建筑之间空中连廊脱落倒塌，高层与裙房产生差异沉降，石材墙面脱落 以及大玻璃窗破坏等情况也较普遍。 2 4 中国台湾集集地震( 1 9 9 9 ) 【6 】 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震殴计浙江大学 1 9 9 9 年9 月2 1 日凌晨1 时4 7 分，我国台湾集集发生了m 7 3 级强烈地震。 震中位于台湾中部南投县集集镇。距震中9 7 公里的日月潭测站地表水平加速度 最大达到了9 8 9 9 a l 。此次地震造成2 3 0 0 多人死亡，1 0 0 0 0 多人受伤，直接经济 损伤达1 1 8 亿美元。地震中大量的房屋建筑破坏倒塌，暴露了台湾建筑行业在技 术标准规范、设计、施工管理各方面的问题，值得台湾工程界反思也值得大陆 和全世界的同行认真总结借鉴。 这次地震一个突出的特点就是钢筋混凝土结构的破坏占了相当大的比例。在 城镇地区大量的多、高层钢筋混凝土建筑破坏倒塌，其中不乏高级住宅、银行写 字楼和豪华酒店，还有学校、车站、商场以及办公楼等公共建筑。据台湾建筑研 究所和地震工程中心所收集到的8 7 7 3 幢建筑的震害资料统计，震中区的南投县 和台中县破坏最为严重，分别有4 5 0 0 多幢( 占5 3 ) 和2 8 0 0 多幢( 占3 2 ) 建筑破坏，其中，钢筋混凝土结构占5 2 5 。在远离震中1 5 0 多公里的台北市， 由于盆地效应仍有3 0 0 多幢建筑破坏，其中3 幢是十几层以上的钢筋混凝土高层 建筑。 这次地震所造成的高层建筑损害为数甚多，破坏模式多半为底层柱底严重压 碎造成。如：距离邻近活断层3 公里处的台中德昌新世界为一1 5 层建筑，地下 室2 层，地震后底层约半数的柱底几乎全部压碎。距离邻近活断层1 8 公里处的 观邸大楼也发生类似的底层柱底破坏现象。 引发如此多钢筋混凝土建筑破坏倒塌的原因大概可以归结为：实际地震烈度 高于设防烈度。按照台湾现有的地震区划图，位于震中的南投县和台中县属二区， 其对应加速度峰值为2 3 0 9 a l ，而实际等震线表示峰值加速度已经达到5 0 0 6 0 0 9 a l ，在日月潭和名间乡新街国小测得最大加速度分别高达9 8 9 9 a l 和9 8 3 9 a l 。 如果对照现行的地震烈度表，震中的实际地震烈度己达到1 0 1 1 度，远高于当 地的设防区划烈度。另外，建筑场地的特性影响，如断层影响、地基液化严重、 盆地效应等和人为的结构设计、施工管理不良也是重要原因。 这一系列的地震灾害给世界各国人民带来了巨大的痛苦与经济财产损失，工 程界应对现有的结构抗震设计方法进行深刻的反思，进一步探讨更加完善的结构 抗震设计思想和方法成为一种迫切的需要。 硕士学位论文2 0 0 4基于非线性地震响应分析的r c 框架损伤评估及抗震设计浙江大学 第三章结构非线性动力响应分析方法 钢筋混凝土框架结构是目前大量使用的结构型式之一，在历次地震中，框架 结构都有不同程度的损坏。为了认识建筑结构从弹性到开裂、产生塑性变形、损 坏直至倒塌的全过程，掌握结构各个时刻的损伤状况，进而寻找防止结构倒塌的 措施，需要进行结构的非线性动力时程响应分析。 其次，在钢筋混凝土结构抗震设计问题上，大多数国家的抗震规范中地震作 用的计算都采用了弹性反应谱方法，并根据结构的特性对地震作用作不同程度的 折减。然而，在结构抗震设计上存在的问题是，结构的内力根据弹性计算结果确 定，构件截面的设计则按极限状态进行。这样就造成了地震作用计算( 包括内力 计算) 与截面设计不协调的问题。对于复杂体型的框架结构，可能会造成结构抗 震中的薄弱环节与安全隐患。而结构的动力响应时程分析可以将地震动输入的特 性与结构的固有特性很好地联系起来，如果是非线性分析则可以与结构的非线性 地震反应特性联系起来。因此，有些国家的抗震设计规范中已要求对某些体型复 杂的钢筋混凝土框架结构进行弹塑性时程反应分析，使得抗震设计安全可靠和经 济合理。 再有，