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框架结构毕业设计外文文献翻译

市政工程钟亚丽20120304

外文翻译

钢筋混凝土建筑在地震中的抗倒塌安全性研究

（二）：

延性框架和非延性框架的对比分析

（AbbieB.Liel1,CurtB.Haselton2,andGregoryG.Deierlein3）

摘要：

本文是两篇配套论文的第二篇，旨在探讨钢筋混凝土框架结构在地震中的抗倒塌安全性，并检验加利福尼亚州在20世纪70年代中期之前所建非延性框架结构建筑的可靠性。

概率评估依赖于对结构响应的非线性的动态模拟，以此来计算对应不同的地运动特性和结构模型时结构倒塌的危险。

评估的对象是一

套不同高度的典型的非延性钢筋混凝土框架结构，它们是根据1967年版《统

一建筑规范》中的抗震规定设计的。

结果表明，当处于一个典型的加利福尼亚高震场地时，非延性钢筋混凝土框架结构发生倒塌的年平均频率范围为（5〜

14）X10-3，这比按现代规范设计的结果高出约40倍。

这些数据表明新规范对延性构造和能力设计要求是行之有效的，这使得在过去的30年中钢筋混凝

土建筑物的安全性得到了改善。

通过对延性和非延性结构的安全性比较，也有助于出台新的规章来评估和减轻现有的钢筋混凝土框架结构建筑物在地震倒塌中的危险。

关键词：

倒塌；地震工程；结构可靠度；钢筋混凝土结构；建筑；商业；地震影响。

引言

20世纪70年代中期以前加利福尼亚州建设的钢筋混凝土框架结构缺乏好的抗震设计理念，例如：

加强柱子、钢筋延性构造，这使得它们很容易在地震

中发生倒塌。

这些非延性钢筋混凝土框架结构在加利福尼亚州1971年圣费尔

南多大地震，1979年英皮里尔谷大地震，1987年惠蒂尔纳罗斯大地震，1994年北山大地震和世界上其他地方发生的无数地震之中已经遭受了很严重的地震损害。

这些因素促使人们关注加利福尼亚州的近40000栋非延性钢筋混凝土建筑中在未来地震中可能会发生倒塌而危害生命安全的一部分建筑。

然而，我

们缺乏足够的数据来衡量建筑的危险程度，因而无法确定是大量的建筑均存在这种危险，还是只有特定的建筑物才存在这种危险。

一栋独立的建筑物发生倒塌的危险大小，不仅取决于其原设计采用的建筑规范中的规定，也取决于结构

布置、施工质量、建筑位置和场地的地震特性。

建筑除了需要准确评估其倒塌的风险之外，选择合适的危险承受值和最低的安全标准也是需要考虑的问题。

在这方面，通过比较评估根据新老建筑规范设计出的建筑物，能帮我们找到一

种评估方法，来确定目前设计能够接受的风险水平。

自20世纪70年代中期以来，随着对地震破坏的观测和对钢筋延性的重要性的深入了解，建筑规范中对于钢筋混凝土抗震设计和构造措施的要求发生了显著变化。

同老式非延性钢筋混凝土框架结构相比，现代规范要求对地震频发

地区的框架结构要进行各种能力设计来防止或延缓不利的破坏形式，如柱剪切

破坏，梁柱节点破坏以及结构薄弱层。

虽然人们普遍认同对于建筑规范的这些修改是适当的，但还是缺少足够的数据来量化其对地震安全性的改善程度。

这

项研究采用基于性能的地震工程方法，来评估地震引起典型的非延性钢筋混凝土框架结构倒塌的可能性。

基于性能的地震工程提供了一个概率框架，利用非线性时程模拟将地面运动强度与结构响应和建筑性能联系起来。

对非延性钢筋混凝土框架结构的评估基于对典型的结构所做的测试，这套结构是根据1967

年《统一建筑规范》设计的。

这些典型的结构代表了大约于1950年至1975

年间在加州建造的普通钢筋混凝土框架结构。

在结构倒塌过程中利用仿真模型能够捕获强度和刚度的变化特征，这样就可以通过非线性动态分析对典型的非延性混凝土框架结构的倒塌进行预测。

抗倒塌性能评估的成果是一系列保障建筑安全的措施，并将地震中抗倒塌能力与地震灾害联系到一起。

我们将这些结

果与另一篇配套论文中的关于延性钢筋混凝土框架结构的数据进行比较。

原型钢筋混凝土框架结构

这些非延性钢筋混凝土框架结构原型考虑了结构高度的变化，结构布置和细部设计，能够覆盖加州旧钢筋混凝土框架结构建筑物设计和性能的的预期范围。

制作原型时，我们查阅了钢筋混凝土部件和框架的关键参数，这些参数是

由哈兹尔顿等人通过分析和实验获得的。

本项研究共制作了26个非延性钢筋

混凝土框架原型建筑物。

本文主要侧重于这些设计中的12个，高度从2层到12层变化，并包括具有可替换设计细节的周边和空间框架侧向抵抗系统。

原型建筑均设计为有着20厘米平面楼板系统和7.6米柱间距的办公楼房。

2层和4层建筑的平面尺寸为38.1mx53.3m,8层和12层建筑的平面尺寸为38.1mx38.1m。

建筑首层层高4.6m,其余层层高4.0m。

我们参考了20世纪60年代在加州建设的钢混建筑的原结构图，来为原型结构选择典型的结构部置和几何形状。

原型仅限于无填充墙的钢筋混凝土框架，并且在高度和平面上比较规则，没有出现明显的强度或刚度突变。

非延性钢混原型结构是按照1967年《统一建筑规范》中的最高地震烈度区（3区）设计的，那个时代加州的大部分都属于这个烈度区。

二维框架的结构设计是由所需的强度和刚度控制的，应满足重力和地震荷载组合的要求。

设计也符合所有相关的建筑规范要求，包括最大和最小配筋率和最大箍筋间距。

1967年《统一建筑规范》规定，如果采用了延性构造措施，可以适当地减小基底剪应力。

然而，本研究并没有进行这种折减，只考虑标准的细部构造。

表1总结了每个结构的设计细节，在Liel和Deierlein处可以获得非延性钢混原型的完整资料。

有4个4层和12层的原型做了细部加强，这会在随后的文章里作介绍。

我们将非延性原型钢混框架结构的抗倒塌性能与配套论文中的延性原型

钢混结构做了对比。

如表2总结，这些延性框架的设计依据了《国际建筑规范》

（ICC2003）、ASCE7（ASCE2002）,、和ACI318（ACI2005）中的规定，并符合所有相关规范中关于强度，刚度，承载能力和特殊框架构造的要求。

这些结构得益于自20世纪70年代以来钢筋混凝土抗震设计规范不断增加的条款，包括各种关于能力设计的规定（例如：

强柱弱梁，节点抗剪承载力设计）和构造措施的改进（例如，在梁柱塑性铰区增加横向约束，提高对搭接的要求，闭合箍筋）。

这套延性钢混框架是按照在土壤类型为Sd类的典型高震洛杉矶

场地设计的，它处在2003版IBC设计地图的过渡区域。

表1原型延性和非延性框架的设计属性

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附注：

a）1967年《统一建筑规范》（UBC中设计基底剪切系数取值为C=0.05/T（1/3）<0.10。

对于抵抗力矩的框架T=0.1N,N是层数（ICBO1967）；

b）现代建筑的设计基底系数根据设计场地的反应谱取值。

洛杉矶场地的设计反应谱SDS=1.0gSD1=0.60®计算式采用的周期根据规范公式算得，是结构的高度（英尺），并且规定了计算周期的上限（）（ASCE2002）；

c）柱子的属性沿结构高度变化，此处列出的是首层柱子的属性；

d）各构件横向钢筋的配置由所需的剪切强度确定。

每个位置至少有两根3号

钢筋；

e）延性钢筋混凝土框架横向钢筋的配置由所需的剪切强度确定。

所有的弯锚都有抗震构造，并使用4号钢筋（ACI2005）；

f）梁属性沿结构的高度变化，此处列出的是第二层梁的属性；

g）所设计结构的梁柱构造优于平均水平；

h）所设计结构的节点构造由于平均水平。

表2原型延性和非延性框架的建模参数

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附注：

a）此处列出的是首层柱的参数；

b）轴向荷载包括恒荷载和25%勺活荷载;

c）有效割线刚度为通过40涮服强度时的割线刚度；

d）滞后能量耗散的计算公式为；

e）参数获得于对结构模型的特征值分析；

f）所设计结构梁柱的构造优于平均水平；

g）所设计结构的节点构造优于平均水平。

对比表1所示的结构，我们可以看出在过去四十年间钢筋混凝土框架抗震设计规范的变化。

尽管对设计基底剪力的方程进行了修改，但对于相同高度的延性和非延性钢混框架结构，计算的结果还是相当接近的，只有在计算最矮的结构时才有较大的偏差。

两组建筑物之间明显的差别是部件的设计和构造措施，特别是在数量、布局、和横向加固方面。

现代钢混框架结构受剪切能力设计规定的影响，对于箍筋间距有着更严格的限制，例如：

在延性钢筋混凝土梁和柱中横向钢筋要加密2到4倍。

最小配箍率保证了柱子有足够的强度来延缓楼层机构的形成。

因此，在节点处柱强度与梁强度的比值延性钢筋混凝土框架结构平均比非延性钢筋混凝土框架结构高出约30%。

非延性钢混框架结构对

于梁柱节点区域的设计或加固也没有特别规定，而延性钢混框架结构的柱子则要求规定的尺寸并添加横向钢筋，以满足节点剪力的需要。

为满足特殊框架结构对节点剪切强度的要求，通常增加柱子的尺寸，从而减小轴压比。

非线性仿真模型

每个原型非延性钢混框架的非线性分析模型，都包括一个二维三开间的侧向抗力系统，如图1所示。

分析模型能够体现柱子、梁、梁柱节点材料的非线性和大尺寸效应（P-△效应），这对于模拟框架的倒塌时十分重要的。

我们用端部部分铰接的构件模拟梁、柱及其节点，这些铰被部分约束以模拟真实情况，类似于弹簧铰。

结构模型不包括任何非结构构件或支撑重力荷载的部件，它们都不属于横向支撑系统。

本模型是在OpenSees中建造的，该软件具有强大的计算功能。

图1•钢筋混凝土框架结构分析模型示意图

在另一篇配套论文中，用集中弹簧模拟非弹性的梁、柱、节点，它们是根据三线图和伊瓦拉等人的滞后原则理想化而来的。

根据一系列经验关系，我们对代表梁和柱构件的非线性弹簧特性进行了预测，这些关系将柱子的设计特征同建模参数联系起来，并与实验数据进行了校核。

用于改进经验关系的试验，包括大量非延性构造的钢筋混凝土柱。

预测的模型参数反映非延性和延性钢筋混凝土构件的弯矩-转角行为的差异。

正如配套论文中所说的，由于缺少足够的梁的数据，对于钢筋混凝土梁的模型参数的校核是建立在柱子在低轴压水平下被测试的基础上的。

图2（a）显示了延性及非延性柱（均为4层建筑）的单调骨干曲线的性质。

众所周知，最大塑性转角9cap,pl对预测倒塌的发生

有重要影响，它是柱子约束钢筋和轴压水平的函数，延性钢筋混凝土柱比非延性钢筋混凝土柱大约大2.7倍。

延性钢筋混凝土柱还有更强的后期旋转能力

（9pc），这决定了的柱子屈服后强度退化的速度。

图2（b）表明在一个典型

的地震加载过程中，柱的强度和刚度不断下降。

起始曲线的减弱过程由弱化参数入控制，这是一个耗能的过程。

在非延性柱中由于缺少足够的约束，并且轴压荷载更大，其耗能的能力要比延性柱小很多。

模型参数需要校准到预期的水平。

在分析时需计入重力荷载，并忽略轴向、弯曲、剪切变形之间的相互作用，而这些因素对高层建筑物的影响是十分明显的。

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4层框架结构首层中的钢筋混凝土柱

图2.用非弹性弹簧模拟位于

，其特点是：

（a）单调；（b）循环

表2中为非延性和延性的原型钢筋混凝土柱的建模参数。

钢筋混凝土梁的

属性也是类似的，它们在其他地方被列出。

所有模型元件的属性值都取为为测试值的中值尽管原型梁和柱的建模参数已经考虑了构件端部的粘结滑移，但它

们还是不能模拟到由于非延性框架锚固或搭接失效而引起的显著破坏。

同延性框架设计时限制节点剪切变形不同，非延性框架可能会有明显的剪切变形而加快倒塌过程。

如图1所示，用非弹性弹簧来模拟节点的剪切行为，模型需遵循单调曲线和滞后原则（与图2中柱的图形类似）。

参考了仅有极少横向钢筋的节点的数据，并结合了其他非延性特性，我们为节点剪切弹簧赋予了属性。

不幸的是，可获取的不合格节点的数据是十分有限的。

节点剪切强度使用ACI318公式的改进版本进行计算，大小取决于节点尺寸（bj是节点宽度，h是节点高度）、混凝土抗压强度（fc'，单位：

psi），约束系数（丫，取值为12〜20），公式为：

V=0.7丫•二bjh。

根据米特拉和罗斯的实验数据，我们引进了0.7的修正系数。

修正系数反映了具有抗震构造的节点与没有横向钢筋的节点剪切强度的差异。

我们假定约束钢筋混凝土节点呈线弹性变化，但非延性钢筋筋混凝土却只有有限的塑性，其内外节点的最大塑性剪切变形分别为0.015和0.010。

根据Pantelides等人的研究数据，轴压比低于0.095的节点可近似看做变形呈线性变化（至0轴轴向荷载最大值的0.025）。

现有数据表明，有效初始刚度大约会下降10%由于缺少足够

的数据，我们假设钢筋混凝土梁柱的削弱特性是相同的。

表2为计算所得的钢筋混凝土框架的弹性基本周期，它反映了梁柱的开裂刚度（梁：

0.35EIg;柱：

0.35〜0.80EIg）、节点尺寸和面板柔度。

构件的有效刚度对应于达到屈服强度的40%寸的变形，并包括构件端部的粘结滑移。

由于建模时采用的假定不同（有效刚度的取值差异和不考虑重力支撑系统），并且计算结构周期的公式偏于保守，所以计算出的周期会明显大于按其他简化公式的计算结果。

分析模型的非线性静态分析结果表明：

现代的钢筋混凝土框架结构比老式的非延性框架结构更坚固，而且有更强的变形能力，从图3中我们可以清楚地看到对比的结果。

分析时荷载采用ASCE7-05等效地震荷载分布。

横向强度的高低根据安全系数来比较，安全系数是极限强度同设计强度的比值。

延性的好坏是根据最大层间位移角来判断的，即当结构丧失20%横向强度时的层间位移角。

正如表3所示，延性钢筋混凝土框架与非延性框架相比，安全系数大约高

40%最大层间位移角大3倍。

导致延性框架有更强的结构变形能力和更多的安全储备的原因是：

（1）延性构件的变形能力更强；

（2）延性框架发生的屈服更多；（3）框架柱的强度更大；（4）梁的屈服耗能更多。

图3（b）表明地震对于建筑低层的破坏更严重，在非延性结构中这种现象更为突出。

然而非线性静态分析的方法并不是对动态分析的简单叠加，实验结果有助于找到动态分析结果的规律，从而总结出非线性静态评估的方案。

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图3.12层延性与非延性钢筋混凝土框架分析图:

（a）内力-位移响应；（b）最终楼层位移分布。

抗倒塌性能评估步骤

对非延性钢筋混凝土原型框架的抗倒塌性能的评估与对延性框架的评估方法相同。

用非线性仿真模型的增量动态分析（IDA）来评估抗倒塌性能，通过增大振幅来模拟结构所处的不同地运动。

对于每种地运动，当出现过大的层间位移时，我们就认为结构失效。

分析过程中，我们对80种不同的地震记录进行了测试。

评估的结果显示，结构倒塌的可能性与地震强度呈对数正态分布关系（中位数、标准差），这可以整理为一个计算结构倒塌危险性的函数。

但对于地震的记录不是那么可靠的，这与地震频谱的不断变化和地震记录的特点有关。

尽管钢筋混凝土框架结构的非线性分析模型可以模拟出由梁柱强度、刚度

丧失或梁柱节点剪切变形所引起的倒塌，但却不能直接模拟柱子的剪切破坏。

我们期望在测试过程中柱子先屈服后剪切破坏，而不是像非延性短柱那样直接发生剪切破坏。

可观测的地震破坏和实验研究表明柱子剪切破化和重力支撑系

统的损坏会导致非延性框架连续倒塌。

由于难以准确地模拟剪切、弯剪破坏和轴向受荷能力的丧失，所以不能直接模拟出柱子的剪切破坏。

对构件极限状态的后期动态分析，可以检测出与柱子剪切破坏有关的倒塌模式。

从非延性梁柱的实验数据中可以推导出构件的极限状态函数，用这个函

数可以预测当发生剪切破坏和垂直受荷能力丧失时，柱子的平均位移比（CDR。

这里所说的CDF与层间位移角类似，因为这个函数是建立在柱构件的实验数据的基础上的，所以不包括梁旋转和节点变形对位移的贡献。

当柱子发生弯剪破坏时，构件间的关系我们直接采用已有的研究成果。

对

于本研究中未进行延性设计构造和轴压比P/Agfc'在0.03到0.35之间的柱子，Asiani和Miranda预测当CDF在为0.017〜0.032rad时，柱子就会发生剪切变形，当然这还与柱子的性质和轴压下变形能力下降的程度有关。

当CDR

为0.32〜0.10rad时，柱子的垂直承载能力就会不断丧失，当然这也与柱子的属性有关。

由于柱子竖向承载能力的丧失会导致结构倒塌，所以我们将这种破坏状态也归类于结构倒塌破坏在分析过程中，任何一根柱子的位移超过了按函数计算出的容许值，结构都会进入竖向倒塌临界状态。

如果在较小强度的地震中，结构更容易发生竖向倒塌，而不是侧向倒塌，那么对于倒塌的统计结果就需要更新。

柱位移的概率分布是地震强度与构建性能的函数，可以用这种简化方法将

其积分为一个可比较的数值结果。

我们假定对于只有侧向位移的情况和既有侧向位移又有轴向削弱的情况，其倒塌的不确定性是相同的，这是因为它主要是由建模和记录的不确定性确定的，而不是由构件性能的不确定性。

考虑垂直倒塌极限状态会降低结构预期的抗倒塌能力。

图4是8层钢筋混

凝土框架结构的倒塌概率曲线，分别对应于计入和不计入剪切破坏和由剪切引起的轴向失效的情况。

如图所示，如果考虑柱子的剪切破坏，倒塌的可能性就会比侧移模式大大降低。

然而，如果我们假设柱子的剪切失效不会直接导致倒塌，而是柱子轴向承压能力的丧失导致的倒塌，那么这样的结果只会比只考虑侧移的计算结果稍小一点。

对本文所研究的非延性钢筋混凝土框架而言，极限状态计入竖向承载力的损失比不计入这种损失的统计结果平均小2%〜30%

图4.8层框架结构的IDA结果分析：

（a）增量动态分析时，对于选定的地震，竖向失效模式对抗倒塌能力的影响;

（b）只有侧移失效时的倒塌概率与既有侧移又有竖向失效的倒塌概率对比。

记