我国是一个多震国家,城市人口稠密、财富集中、新老建筑并存、抗震能力各异,使我国城市工程面临的潜在地震威胁尤为突出,其中抗震设防水平不高,施工构造考虑不足,已服役多年的既有钢筋混凝土结构是城市工程结构抗震的关键也是薄弱环节所在。本文以此为背景,根据文献综述、震害调研、规范研究明确低延性结构概念及其特征,以既有结构中的钢筋混凝土低延性结构及其构件为主要研究对象,以精细化数值模拟与分析为主要研究手段,本文第二、三、四章内容重点围绕这两条主线展开,最终通过结构地震弹塑性数值子结构方法将两条主线相结合,实现钢筋混凝土低延性结构抗震性能精细化数值模拟与分析。本文主要研究内容分为以下几个方面:(1)发展了钢筋混凝土基本构件精细化数值模拟方法。提出了“杆系组合单元”等效主应变计算方法与受拉损伤指数表达式;研究与发展了钢筋混凝土梁、柱、剪力墙、楼板等基本构件“杆系组合单元”精细化数值模拟方法,以模拟构件强非线性行为、反映构件损伤演化、预测构件破坏形态,并分别采用拟静力与振动台试验予以验证;选取典型剪力墙试验模型,探讨由桁架单元、梁单元组合形成的三类“杆系组合单元”数值模型的应用范围与适用性,研究其关键影响因素;考虑墙肢与连梁耦合作用,分析多层双肢剪力墙结构失效模式并进行参数化分析。(2)提出了两类新的钢筋混凝土梁柱节点有限元数值模型。修正了基于拉-压杆理论的梁柱节点单元中主压杆约束模型与主次压杆受力分配关系,改进了节点区剪切变形参数确定方法和适用范围;提出了新的能有效模拟节点核心区剪切变形和贯穿节点区梁筋粘结滑移的梁铰组合式“节点组合单元”,并采用一系列构件与结构试验模型进行分级验证与评估;在此基础上,为避免预设节点区性能参数且便于在分析过程中实时更新,基于桁架单元提出了一种梁柱节点精细化数值模拟方法,根据节点受力特征建议考虑新的混凝土受压强度折减理论、混凝土本构关系等,并采用试验模型予以验证。(3)基于“节点组合单元”分析与评估了钢筋混凝土低延性框架结构抗震性能。依据汶川地震震害调查资料,结合抗震规范发展历程,总结了钢筋混凝土低延性结构抗震性能影响因素,并通过参数敏感性分析确定了典型低延性框架结构关键设计参数;基于“节点组合单元”建立了低延性框架结构地震弹塑性计算模型;采用静力弹塑性分析方法、增量动力分析方法以及本文提出的主-余震序列分析方法评估了低延性框架结构的抗震性能,研究了其地震失效模式、抗倒塌储备能力及主-余震序列作用下结构的抗震能力储备等。(4)发展和应用结构弹塑性数值子结构方法再现了都江堰低延性多层框架结构地震震害。借助结构弹塑性数值子结构方法,实现了构件弹塑性精细化数值建模、构件“子结构”弹塑性数值模拟与结构整体地震弹塑性分析的时程分步、“子结构”分离的全过程交互数值模拟,从而形成低延性框架结构地震损伤演化机理和破坏模式分析的一种有效方法;基于此方法,应用本文发展的柱与节点数值模拟方法建立了四个不同尺度的精细化数值子结构计算模型以分析一栋在汶川地震中严重受损的多层钢筋混凝土低延性框架结构,研究了其在强震作用下的抗震性能与失效模式,揭示关键构件地震损伤演化及其灾变机理。(5)基于“杆系组合单元”分析了智利低延性高层剪力墙结构发生倾覆式倒塌的地震失效机理。开发了“杆系组合单元”有限元建模与前后处理程序,建立了低延性剪力墙空间结构地震弹塑性精细化计算模型;选取一栋在2010年智利地震中发生倒塌的低延性高层剪力墙结构,采用“杆系组合单元”建立三维精细化数值模型,考虑材料强度与刚度滞回退化行为、混凝土受压强度实时折减、墙-板耦合效应、网格尺寸效应等,通过静力分析和基于实测地震动的动力时程分析探索结构发生倾覆式倒塌的诱发因素,揭示了因低延性剪力墙发生脆性受压破坏诱发高层结构倒塌的地震失效机理。