基于多性态需求的RC框架结构抗震韧性提升与评估

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在目前我国现有的建筑中,多层钢筋混凝土框架结构(RC框架结构)占有相当比重,并广泛用于学校、医院等在社会中承担重要职能的建筑中。近年来在我国各地区所发生的一系列破坏性地震中,大量的RC框架结构发生破坏甚至倒塌,损伤模式与设计预期不符,造成严重的人员伤亡及经济损失且修复工作困难。究其机理,框架柱受力苛刻而难以实现“强柱弱梁”的损伤模式,且存在抗震防线单一、修复困难等问题。为此,我们要提高建筑结构的抗震韧性尽可能的降低人民群众的生命、财产在遭受地震作用时的伤亡及损失,尽可能的保证建筑功能在遭受地震作用时可及时恢复甚至不发生中断。同时,还需要一个客观明了的评价指标去评估结构的抗震性能提升至什么水平才能满足地震安全性及韧性的诉求,并能轻易被广大人民群众所理解接受。针对上述问题,本文以某一RC框架结构的医疗建筑为原型,基于多性态需求的抗震设计思想,采用增设抗震墙、阻尼器两种方式对框架结构进行抗震韧性能力提升。针对所增设的抗震墙进行了拟静力试验及有限元模拟验证,研究了其承重和抗侧功能集成与分离时对提升结构抗震性能的异同;针对所增设的阻尼器进行了理论及有限元分析,研究了其分阶段屈服的抗震性能。基于上述研究结果设计了纯框架结构、框架-抗震墙并联结构和减震结构三个结构并进行了弹塑性分析,通过对其抗地震倒塌能力及地震易损性的分析研究其抗震韧性能力提升的异同。建立三种不同加固方式的建筑结构的性能模型,依据FEMA P-58提供的方法的对建筑抗震性能进行综合评估,从三种结构的人员伤亡、修复时间、修复费用及收益率进行评估,以更加通俗易懂的指标反映结构抗震韧性能力提升的程度。本文主要研究内容包括以下方面:(1)通过拟静力试验及有限元模拟验证,设计了2个缩尺比为1/3的单层两跨框架-抗震墙并联结构试件,试件一中的抗震墙承担小部分重力荷载,主要参与抗侧工作;试件二中的抗震墙既承担重力荷载,又参与抗侧工作。研究抗震墙的承重与抗侧功能集成与分离时,不同功能形式的框架-抗震墙并联结构抗震性能的异同。(2)通过理论研究及有限元模拟,设计了一种分阶段屈服的金属阻尼器,由矩形剪切钢板和内、外侧U形钢板组成,具有多阶段屈服的特性。其中矩形剪切钢板率先剪切耗能,内、外侧U形钢板随输入结构地震动强度的增大依次滚动弯曲耗能,研究了四组不同组合形式阻尼器的抗震性能和分阶段屈服性能。(3)采用增设功能分离型的抗震墙及中间柱型布设阻尼器的方式,对某一医疗建筑进行抗震韧性能力提升设计。利用PKPM软件及相关理论分别设计纯框架结构、框架-抗震墙并联结构及减震结构三种模型。对抗震墙的布设进行了优化验证,并给出了在减震结构中,需增设阻尼器的参数设计及流程。(4)对纯框架结构、框架-抗震墙并联结构及减震结构三种模型进行了增量动力分析(简称IDA分析)和易损性分析,得到三种不同加固结构形式的模型在不同强度地震动作用下的地震响应及易损性函数,并三种不同加固结构形式的模型进行抗地震倒塌能力及易损性能分析,研究不同加固方式对结构抗震韧性能力提升性能的异同。(5)利用FEMA P-58提供的性能评估方法,根据该医疗建筑的基本信息建立性能模型,确定易损性参数,结合三种结构的地震响应参数进行抗震韧性性能评估,得到人员伤亡、修复时间、修复费用及收益率等评估参数,进而对其抗震韧性进行评估。
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