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1、单跨钢筋混凝土框架结构的抗倒塌分析研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：高龙指导老师：伍云天 教授专 业：土木工程学科门类：工 学重庆大学土木工程学院二一九年五月Study on Seismic Collapse Analysis of Single-bay RC Frame StructureA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of Requirement for theMasters Degree of EngineeringByGao longSupervised by Prof. Wu
2、 YuntianSpecialty: Civil EngineeringCollege of Civil Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaMay 2019中文摘要摘 要钢筋混凝土（RC）框架结构作为应用范围广泛的结构体系之一，具有空间布置灵活、整体性较好等特点。据统计，影响人员伤亡数量主要来源于结构的破坏以及倒塌，尤其像火车站、汽车站等这些单体存在某主轴方向全部单跨或除山墙跨外均为单跨的框架结构，因其侧向刚度较小、能量耗散少等的缺陷而出现难以估计的地震伤亡和损失。再以某市政项目在进行单跨框架结构设计时并不符合建筑抗震设计
3、规范（GB50011-2010）中的规定为出发点，对单跨框架结构的抗倒塌能力进行合理地评估，从而对提高单跨框架结构的抗震减灾能力具有重要意义。本文首先按照我国现行规范设计了7度（0.1g）区共13个不同轴压比的框架结构算例，其中6个单层单跨框架结构、6个三层单跨框架结构以及1个近轴压比限值的五层三跨的普通框架结构。利用有限元软件Seismostruct对13个框架结构算例建立分析模型，并通过增量动力分析（IDA）法研究单跨框架结构在23条地震波作用下的抗倒塌能力。考察了单一（多条）地震动IDA曲线（集合）、IDA分位线、倒塌易损性曲线的分布趋势和特点，计算罕遇地震下的抗倒塌安全储备系数（CMR
4、），定量评估单跨框架结构的抗倒塌能力。此外，为比较同一轴压比下层数对单跨框架结构的抗倒塌能力的影响，本文增加了1个轴压比0.30的五层单跨框架结构算例，并将其与单层单跨、三层单跨框架结构进行对比。最后，在前文已有的分析基础上，考虑采用抗震加固措施对单层单跨框架结构的抗倒塌能力的影响，分析了1个原结构模型、5个采用抗震加固措施后的单层单跨框架结构模型并与近轴压比限值的普通框架结构进行对比，定量评估采用抗震加固措施后结构的抗倒塌能力增长幅度以及是否能够强于近轴压比限值的普通框架结构。本文研究的主要结论概括如下：（1）对于单层单跨框架结构还是三层单跨框架结构来说，当轴压比逐渐增大时结构的抗倒塌能力也
5、就越弱。而当结构轴压比越来越低时，结构之间的抗倒塌能力差异也就越来越小。此外，对于单层单跨框架结构来说，在允许的轴压比限值范围内，结构在罕遇地震下的抗倒塌能力均弱于近轴压比限值的普通框架结构。而对于三层单跨框架结构来说，同样在轴压比限值允许的范围内，存在一个较低的轴压比分界点值，使得低于这个分界点值的结构在罕遇地震下的抗倒塌能力要强于近轴压比限值的普通框架结构，高于这个分界点值的结构则弱于普通框架结构。因此，从抗倒塌能力层面来看，该结果在整体上较好地解释了我国抗规为何对单跨框架结构做出这样的规定，但规范对于三层单跨框架结构的规定存在保守的可能，或者说对于多层单跨框架结构的规定建议考虑再具体一点
6、。（2）对于单跨框架结构来说，相同轴压比下随着层数的增加结构的抗倒塌能力也在增强。但当层数逐渐增加并达到一定数量后，结构的抗倒塌安全储备系数CMR的增幅越来越小，结构之间的抗倒塌能力也就越来越接近。因此，该研究结果从抗倒塌能力层面进一步说明了结论（1）中单层单跨框架结构的抗倒塌能力弱于近轴压比限值的普通框架结构，而三层单跨框架结构却存在一个轴压比分界点值，使得结构在该分界点值下的抗倒塌能力与近轴压比限值的普通框架结构相等。（3）基于结论（1）（2）研究采用抗震加固措施后单层单跨框架结构在罕遇地震作用下的抗倒塌能力是否能够强于近轴压比限值的普通框架结构，从而评估该抗震加固措施的有效性。研究发现，
7、采用单侧增设框架梁柱的方式虽然能够较大程度上提高结构的抗倒塌能力，但并不强于近轴压比限值的普通框架结构。而采用增设翼墙和双侧框架梁柱的抗震加固措施能够显著提高结构的抗倒塌能力并强于近轴压比限值的普通框架结构。关键词：增量动力分析，轴压比，单跨框架结构，抗倒塌能力，抗震加固V英文摘要ABSTRACTAs one of the widely used structural systems, reinforced concrete (RC) frame structure has the characteristics of flexible spatial arrangement and good
8、 integrity.According to statistics, the number of casualties mainly comes from the destruction and collapse of the structure. Especially in railway station, bus station and so on, these monomers have a single-span structure in the direction of a main axis or a single-span frame structure except for
9、the gable wall span, which casuses incalculable earthquake casualties and losses due to the shortcomings of small lateral stiffness and less energy dissipation. Furthermore, based on the fact that a municipal project does not conform to the provision of the Code for Seismic Design of Buildings (GB50
10、011-2010). It is necessary to estimate the seismic collapse capacity of single-span frame structure reasonably, which has great significance to improve the earthquake resistance and disaster reduction capability of single-span frame structure.Firstly, 13 frame structures with different axial compres
11、sion ratios in 7 degree (0.1g) zone, included 6 single-story single-span frame structures, 6 three-story single-span frame structures and a five-store three-span common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio, which are designed according to the current China codes. T
12、he finite element software Seismostruct is used to establish the numerical analysis models for 13 frame structures, and the incremental dynamic analysis (IDA) method is used to investigate the seismic collapse capacity of single-span frame structure under 23 earthquake waves. The distribution trends
13、 and characteristics of IDA curve(s) under single (multi)-ground motion(s), IDA fractile curves and collapse fragility curves are investigated. The collapse margin ratio (CMR) under rare earthquakes is calculated to quantitatively estimate the seismic collapse capacity of single-span frame structure
14、. In addition, in order to compare the effect of the number of stories under the same axial compression ratio on the seismic collapse capacity of single-span frame structures, a five-story single-span frame structure with an axial compression ratio of 0.30 is added in this paper, and compared with s
15、ingle-story single-span and three-story single-span frame structures. Finally, on the basis of the previous analysis, the influence of seismic strengthening measures on the seismic collapse capacity of single-storey single-span frame structure is studied. One original structural model and five singl
16、e-storey single-span frame structures with seismic strengthening measures are analysed and compared with the common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio. The seismic collapse capacity of structure with seismic strengthening measures is estimated quantitatively and
17、whether it can be stronger than the common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio.The main conclusions of this study are summarized as follows:(1) For single-story single-span frame structure or three-story single-span frame structure, when the axial compression rati
18、o increases gradually, the seismic collapse capacity of single-span frame structure will be weaker. When the axial compression ratio of structure is lower and lower, the difference of seismic collapse capacity between structures is smaller and smaller. In addition, for single-story single-span frame
19、 structure within the allowable limit of axial compression ratio, the seismic collapse capacity of structure under rare earthquakes is weaker than that of common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio. For three-storey single-span frame structure within the allowable
20、 limit of axial compression ratio, there is a lower boundary value of the axial compression ratio, which makes the seismic collapse capacity of structure below this boundary value stronger than that of common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio under rare earthqua
21、kes, while those above this boundary value are weaker than that of common frame structure. Therefore, in terms of the seismic collapse capacity, this result can explain why the Code for Seismic Design of Buildings makes this provision for single-span frame structure. But, there is a possibility of c
22、onservatism in the code for three-story single-span frame structure, or the provison of multi-story single-span frame structure is suggested more specific.(2) For single-span frame structure, the seismic collapse capacity of the structure increases with the increase of stories under the same axial c
23、ompression ratio. However, when the number of stories increases gradually and reaches a certain number, the increase of the CMR becomes smaller and smaller, and the seismic collapse capacity of the structures becomes closer and closer. Therefore, the research result from the aspect of the seismic co
24、llapse capacity further illustrates the conclusion (1): The seismic collapse capacity of single-story single-span frame structure is weaker than that of common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio, while there exists a boundary value of axial compression ratio for
25、three-story single-span frame structure, which makes the seismic collapse capacity of structure at this boundary value equal to that of common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio.(3) Based on conclusions (1) and (2), the seismic collapse capacity of single-story s
26、ingle-span frame structure under rare earthquakes after using seismic strengthening measures are studied to estimate their effectiveness. It is found that the single-story single-span frame structure strengthened by frame beam and column on one side can improve the seismic collapse capacity of the s
27、tructure to a great extent, but it is not stronger than the common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio. The single-story single-span frame structure strengthened by wing-wall and bilateral frame beams and columns can significantly improve the seismic collapse capa
28、city of the structure and is stronger than the common frame structure with approaching limit value of axial compression ratio.Key words: incremental dynamic analysis, axial compression ratio, single-span frame structure, seismic collapse capacity, seismic strengthening目 录目 录摘要IABSTRACTIII图 索 引IX表 索
29、引XII主要符号XIV1 绪 论11.1 引言11.2 单跨框架结构研究现状21.3 抗地震倒塌研究现状71.4 研究目的及主要内容102 Seismostruct软件介绍与可靠性验证132.1 Seismostruct软件介绍132.1.1 材料本构模型132.1.2 单元类型232.1.3 结构阻尼252.2 软件可靠性验证252.2.1 试验概况252.2.2 试验现象及结果272.2.3 数值模拟结果282.3 本章小结303 数值模型确定313.1 算例设计313.2 模态分析343.3 数值模型的建立363.3.1 材料属性设置363.3.2 T形框架梁设置373.3.3 地震波及
30、其他荷载输入373.3.4 IDA参数设置383.4 本章小结384 单跨框架结构抗地震倒塌分析394.1 基于IDA的结构倒塌易损性分析方法394.1.1 IDA法394.1.2 地震波选取404.1.3 地震动强度指标及结构损伤指标的选取434.1.4 倒塌极限状态判定444.2 单跨框架结构的IDA曲线474.2.1单一地震动下的IDA曲线474.2.2 多条地震动下的IDA曲线494.3 单跨框架结构的易损性分析544.4本章小结575 同轴压比的单跨框架结构抗倒塌分析595.1 算例补充595.2 层数对结构地震响应的影响595.3 本章小结626 采用抗震（加固）措施的单层单跨框架
31、结构抗倒塌分析636.1 抗震（加固）措施简介及建模分析636.1.1 抗震（加固）措施简介636.1.2 建模分析646.2 抗震（加固）措施对单层单跨框架结构抗倒塌能力的影响656.3 本章小结687 结论及展望697.1 本文主要结论697.2 本文创新点707.3 研究展望70致 谢73参考文献75附 录81A. 23条地震波时程曲线81B. 各模型在多条地震动下的IDA曲线90C. 各模型的易损性曲线97D. 作者在攻读硕士研究生学位期间所获得的成果102VII图 索 引图 索 引图1.1教学楼震害14图1.2单跨框架结构工程15图2.1混凝土单调受压加载应力-应变关系24图2.2混
32、凝土卸载和再加载应力-应变关系曲线26图2.3 Martinez-Rueda和A.S.Elnashai混凝土本构模型卸载与再加载28图2.4 Menegotto-Pinto钢本构模型30图2.5曲率系数R的定义31图2.6 RC框架柱截面纤维划分示意33图2.7 RC框架梁截面纤维划分示意34图2.8试件GJ1-1结构立面布置及尺寸信息35图2.9试验加载装置36图2. 10试件试验现象37图2.11数值分析模型简图38图2.12试验与模拟力-位移曲线38图3.1结构立面布置及尺寸信息41图3.2各算例结构配筋信息42图3.3 Mander-非线性混凝土本构模型44图3.4双折线钢本构模型45
33、图3.5地震加速度时程曲线46图3.6 Seismostruct中的数值模型46图4.1 IDA法的基本步骤51图4.2结构倒塌极限状态点的定义55图4.3各模型单一地震动下的IDA曲线（1号波）57图4.4多条地震动下的IDA曲线（红色圆点为倒塌点）60图4.5 PK与SS的IDA分位线对比61图4.6 PK与TS的IDA分位线对比63图4.7 PK模型的易损性曲线（红色圆点为23个离散点）63图4.8普通框架与单跨框架的易损性曲线对比65图4.9普通框架与单跨框架模型的CMR值对比67图5.1结构尺寸及配筋信息68图5.2 FS-0.30的IDA曲线集合70图5.3 FS-0.30的易损性
34、曲线70图5.4各模型的易损性曲线对比71图6.1单（双）侧框架梁柱增设示意图73图6.2约束支撑增设示意图74图6. 3翼墙加固类型74图6.4新增框架柱基础与原框架柱基础连接构造详图75图6.5翼墙与原框架连接构造详图76图6.6原框架结构尺寸及立面布置77图6.7新增翼墙尺寸及配筋信息77图6.8新增框架梁柱尺寸及配筋信息78图6.9各模型的IDA曲线集合80图6.10各模型的易损性曲线对比8199主要符号表 索 引表1.1 1919年2019年国内外发生的重大地震简介14表2.1 Seismostruct中的材料本构模型23表2.2 Seismostruct中的单元类型34表2.3钢筋
35、力学性能37表3.1结构主要设计参数40表3.2分析模型自振周期对比43表4.1所选地震波信息53表4.2各模型CMR值对比66表5.1各模型CMR值对比72表6.1各模型CMR值对比82主要符号混凝土约束系数；钢筋屈服强度；钢筋极限强度；E钢筋的弹性模量；b应变硬化系数；钢筋断裂应变；max最大层间位移角；roof顶点最大位移角；Tg结构的特征周期；T1结构的一阶周期；Sa(T1,5%)阻尼为5%的一阶周期谱加速度；Sa(T1)50%倒塌概率为50%的一阶周期谱加速度；Sa(T1)罕遇地震罕遇地震下一阶周期谱加速度。2 Seismostruct软件介绍与可靠性验证1 绪 论1.1 引言地震，
36、相比于其他自然灾害，其一旦发生可以在很短的时间内摧毁一个城市，而中国又是一个人口大国，每年因为地震造成的人员伤亡和财产损失不在少数。例如1976年的唐山大地震以及2008年的汶川大地震，致使数万人的伤亡，大量的房屋建筑发生破坏甚至倒塌，交通运输等相继出现中断，造成的直接经济损失更是难以估计，引发的社会问题值得人们去深思。除中国之外，每年还有很多其他国家每年都会因地震而造成巨大的人员伤亡和经济损失，表1.1为1919年2019年共100年时间内国内外发生的重大地震简介。表1.1 1919年2019年国内外发生的重大地震简介Table1.1 A Brief Introduction of Majo
37、r Earthquakes Occurring at Home and Abroad from 1900s to 2019s时间地点地震名震级死亡人数1906美国旧金山大地震7.8约30001923日本关东大地震7.9约14.2万1933美国长滩地震7.1约1101976中国唐山大地震7.8约24.3万1985墨西哥墨西哥城大地震8.1约50001989美国洛马普雷塔7.1约601995日本阪神大地震7.2约55001999中国9.21南投地震7.6约24002008中国汶川地震8.0约8.7万2010智利智利地震8.3约5602011日本东日本大地震9.0约2万2016新西兰新西兰岛地震7.
38、822017墨西哥9.19墨西哥地震7.1约3002018年中国共发生542次3级以上地震，可以看出中国是一个地震多发的国家。近年来，国内发生的几场大地震均出现地震烈度超过当地抗震设防烈度的情况。例如，08年汶川地震当时的地面峰值加速度就远大于建筑抗震设计规范（GB50011-2001）1规定的值。这一现象对于从事土木工程行业的研究人员或是设计人员等来说值得去警示和深思，意味着结构即使满足了当地抗震设防烈度要求，也不能确保结构在罕遇地震或特大地震下一定是安全的。因此，这就要求结构在遭遇超过当地抗震设防烈度的地震作用下具有足够的抗倒塌能力。RC框架结构作为应用范围广泛的结构体系之一，具有空间布置
39、灵活、整体性较好等特点。据研究发现2 3，95%的地震人员伤亡主要来源于结构的破坏以及倒塌，尤其像中小学教学楼这样人员密集的单跨框架结构，因侧向刚度较小、能量耗散少等的缺陷4而出现难以估计的地震伤亡和损失，如图1.1（a）、（b）所示分别为两所不同教学楼震害现象。 （a）某教学楼倒塌 （b）某教学楼底层柱破坏图1.1教学楼震害Fig.1.1 Seismic Damage of School Building目前，单跨框架结构主要广泛应用于鼓风机房、水泵房、机修间、提升泵房以及火车站、汽车站等工业与市政工程中，如图1.2所示为提升泵房、鼓风机房工程实物图。但发现某市政项目在针对单跨框架结构设计时
40、并不符合建筑抗震设计规范（GB50011-2010）5（后文简称“抗规”）中第6.1.5条的规定：“甲、乙类建筑不应采用单跨框架结构”，因此，本文以此为出发点从抗倒塌能力层面分析和研究抗规对于单跨框架结构的规定是否存在保守的可能，还是结构在设计或施工时采取了额外措施以保证结构能够在罕遇地震或特大地震作用下具有一定的抗倒塌安全储备，这有待进一步研究和明确。相应地，通过研究结果发现如果抗规对于单跨框架结构的规定并不存在保守的可能，那么同样可以利用本文研究结果解释为何抗规作出“甲、乙类建筑不应采用单跨框架结构”的规定，同时也加强了对单跨框架结构抗震减灾能力的认识。综上所述，本文通过采用IDA法计算出
41、单跨框架结构的抗倒塌安全储备系数，从而定量评估结构的抗倒塌能力，并考虑如果结构不能满足罕遇地震作用下的抗倒塌能力要求，是否能够采取额外措施使其满足要求，以供结构设计和实际施工参考。（a）提升泵房 （b）鼓风机房图1.2单跨框架结构工程Fig.1.2 Single Span Frame Structural Engineering1.2 单跨框架结构的研究现状单跨框架结构与普通框架结构相比，在结构形式上存在明显的差异，早期学者就已对该类结构的设计或施工进行了相关的研究并提出了自己的看法67。基于汶川及其他地震灾害所带来的启示，国内外学者对单跨框架结构的抗震研究力度也越来越大。（1）单跨框架的结构
42、分析与研究徐诗童等人8通过试验研究了“梁强于柱”、“等强梁柱”2种设计属性的RC单层单跨框架结构，分析了结构内力重分布的特点，并与“柱强于梁”框架结构进行对比，表明了3种属性下的结构在工程实际中是客观存在的，在结构理论上也是成立的，而不同属性下的结构其内力重分布也不尽相同。彭小婕等人9对RC单层单跨框架结构进行数值分析，并与试验结果比较，证明了有限元软件Abaqus中关于混凝土损伤塑性模型的有效性，并发现该模型能够基本反映结构受力与变形特征，而对于混凝土软化段的模拟却存在明显的差异，且在模拟过程中没有考虑混凝土与钢筋之间的粘结滑移，表示后期还需深入研究。陈力等人10在混凝土结构温度作用计算方面
43、利用位移法对单层单跨框架、两层单跨框架、单层两跨框架在约束模型进行了推导，提出降低该类结构约束的措施。Bekdas, G和Nigdeli, SM11采用和谐检索算法对钢筋混凝土框架结构进行优化设计，结合规范ACI-318中给出的设计约束条件，以最小的材料成本为目标，确定了单层单跨框架结构的最佳截面和详细配筋。结果表明，该方法能有效地找到成本最小的最优设计变量。夏桂云、李传习等人1213基于Timoshenko二广义位移梁理论先后研究了剪切变形对单层单跨框架稳定性的影响，并建立了框架出现失稳时其计算长度系数的计算方程，结果表明在有（无）侧移失稳框架下剪切变形对计算长度系数的影响呈两种相反的结果，
44、即无影响和显著影响。最后，在上述研究的基础上考虑了剪切变形对多层多跨失稳框架的影响，其结果与单层单跨框架相同。刘兰花等人14对2个设防烈度区（0.30g、0.40g）的4个单层单跨框架结构进行弹塑性动力时程分析，并根据层高和跨度将单层单跨框架结构划分为两类结构，研究层高、跨度对该类结构超强的影响，结果却发现层高和跨度的影响不太，而结构的超强值2.0。刘栋15利用SAP2000建立了一系列含半跨和单跨的六层框架结构模型，并对此进行双向（X、Y向）的Push-over分析，发现当半跨或单跨框架柱榀数占整个结构的比例小于0.5时比例大小对结构受力影响可以忽略，对于含半跨框架的结构在破坏时优先从其他部
45、分开始，而含单跨框架的结构在破坏时不分先后，两者在抗震设防烈度下均体现出较好的抗震性能。（2）单跨框架的抗震性能研究孙修礼16通过低周往复试验对采用钢管混凝土柱的两层单跨框架结构的抗震性能进行了研究，试验结果表明该类结构的耗能能力强，与同类型的RC框架结构相比承载力得到较大的提高，位移延性系数正反向的值分别为9.5、6.8，可以看出该类结构具有良好的变形能力，结构的强度在达到最大荷载后随所加载位移的变大并没有呈现出明显的下降段，而钢管在梁端出现塑性铰时依然能持续工作。赵晴等人17制作了1个1/3缩尺带悬挑的单跨框架试件并通过拟静力试验研究其抗震性能，试验结果表明由于悬挑端的存在，结构在试验过程
46、中正负向的受力分布不对称，造成结构在近悬挑端形成先梁端后柱脚的塑性铰破坏模式，而在远悬挑端处形成先柱上端后柱脚的塑性铰破坏模式，且这种破坏模式造成了结构正负向的耗能能力在后期产生较大的差异。最后，针对该类结构存在的缺陷提出采用抗震加固措施，但加固后的抗震性能研究有待进一步深入。为研究抗震等级的大小对结构抗震性能的影响，彭凌云等人18通过低周往复加载试验对6个1/2缩尺的单层单跨RC框架结构的抗震性能进行了研究和对比，试验结果表明抗震等级为四级时该结构的抗震性能满足规范要求，而抗震等级为二级时结构已具有较高的安全储备，并建议在8度抗震设防区域时抗震设计等级可取二级。最后，为研究集中荷载和均布荷载两种加载方案对结构承载力的影响，利用Abaqus程序对试验进行数值模拟以验证建模的可靠性，结果显示两种加载方案下的结构承载力大小基本相同。为满足新规范的抗震设防要求，林数枝等人19提出翼墙加固措施能够改善单跨框架结构的承载力、变形能力等观点，研究和分析6种翼墙布置方式对中小学教学楼抗震性能的影响，并与原结构进行对比。最后，从施工、造价等方面对翼墙加固进行了分析并提出相应的建议。王财权20在已有研究的基础上对翼墙加固进行数值分析，并根据分析结果建议采用双方向的翼墙加固措施，然后通过振动台试验研究采用双方