基于不同规范设计的现役RC...架损伤分析及可修复性能评估_孙小云.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0117-12基于不同规范设计的现役 RC 框架损伤分析及可修复性能评估孙小云1，韩建平2，黄林杰3(1.南京交通职业技术学院，南京211188；2.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州730050；3.南京林业大学土木工程学院，南京210037)摘要：我国现役大多数钢筋混凝土(RC)框架是基于 GBJ111989、GB500112001 和 GB500112010 三次抗震设计规范所设计，由于建筑功能的需求，常见框架结构的首层层高明显高于其它层，易导致结构层间变形集中。选择底层层高明显高于其它层的三栋现役 RC 框架为分析算例，综合考虑填充墙面外变形、节点区剪切变形、柱内钢筋粘结滑移等因素，利用 OpenSees 有限元分析软件，分别建立其三维空间有限元模型。对三个模型进行了低周往复加载分析和大量地震动激励下的动力时程分析，研究了结构在中震、大震和特大震三个水准下的损伤程度、层间变形的分布模式及可修复性能。结果表明：相对于 GBJ111989 和 GB500112001，基于 GB500112010 抗震设计规范设计的结构损伤最小，对于潜在薄弱层的加强效果更加明显；中、大震水平，三次规范设计结构发生倒塌的概率均较低，但基于 GBJ111989 抗震设计规范设计的结构损伤较严重，较难修复；特大震水平，基于 GBJ111989 和 GB500112001 抗震设计规范设计的结构倒塌风险较大，基于 GB500112010 抗震设计规范设计的结构倒塌概率相对较低，但其修复需较大的经济投入。经过规范的依次修订，在特大震水平，基于 GBJ111989 至 GB500112010 抗震设计规范设计的结构中结构构件的失效率逐渐降低；基于 GB500112001 和 GB500112010 抗震设计规范设计的结构中，柱以延性破坏为主，但基于 GBJ111989 抗震设计规范设计的结构中，柱发生明显的脆性破坏。关键词：抗震规范；钢筋混凝土框架；动力分析；特大震；损伤；可修复性能中图分类号：TU375.4文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0702DAMAGEANALYSESANDREPAIRABILITYEVALUATIONOFIN-SERVICERCFRAMESDESIGNEDBASEDONDIFFERENTCODESSUNXiao-yun1,HANJian-ping2,HUANGLin-jie3(1.NanjingVocationalInstituteofTransportTechnology,Nangjing211188,China;2.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;3.CollegeofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)Abstract:Mostofthein-servicereinforcedconcrete(RC)framestructuresinChinaweredesignedbasedonthethreeseismiccodesofGBJ111989,GB500112001andGB500112010.Duetothefunctionalrequirement,theheightofthefirststoryforcommonRCframestructuresisobviouslylargerthanthatofotherstories,whichmayresultininter-storydriftconcentration.Threein-serviceRCframes,characterizedbylarger-heightfirststory,wereselectedasprototypesandtheirthree-dimensionalfiniteelementmodelswerebuiltviaOpenSeessoftware,consideringthefactorssuchasout-of-planedeformationofinfilledwalls,sheardeformationofbeam-to-column收稿日期：2021-09-07；修改日期：2021-12-22基金项目：国家自然科学基金项目(51578273)；江苏省高等学校自然科学研究面上项目(18KJB560010)；江苏省“青蓝工程”资助项目；南京交院高层次人才科研启动经费项目(JG1804)；南京交院院级科研重点项目(JZ1805)；江苏省“双创博士”项目(JSSCBS20210553)；江苏省高等职业院校青年教师企业实践培训项目(2020QYSJ163)通讯作者：韩建平(1970)，男，甘肃宕昌人，教授，博士，博导，主要从事结构抗震与减震控制、结构健康监测与损伤诊断研究(E-mail:).作者简介：孙小云(1988)，女，甘肃会宁人，讲师，博士，主要从事工程结构抗震与新型损伤可控结构体系研究(E-mail:);黄林杰(1988)，男，甘肃庆阳人，讲师，博士，主要从事工程结构抗震与新型损伤可控结构体系研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS117jointsandbondslipofsteelbarsincolumns.Thestaticanalysesundercyclicloadingandnonlineardynamicanalysesunderalargernumberofgroundmotionswereconductedforthethreemodelstoinvestigatethedamagedegree,thedistributionpatternofinter-storydriftandtherepairabilityperformanceofthestructuresunderrareandveryrareearthquakes.TheresultsshowthatcomparedwiththestructuresdesignedbasedonGBJ111989andGB500112001,thestructuredesignedbasedonGB500112010suffersminimumdamage,andobviousstrengtheningeffectforthepotentialsoftstoryisobserved.Underrareearthquakes,thecollapseprobabilitiesofthestructuresdesignedbasedonthethreeseismicdesigncodesarerelativelylow,whilethestructuredesignedbyGBJ111989maydevelopseriousdamageandtherepairingisimpracticable.Underveryrareearthquake,thestructuresdesignedbasedonGBJ111989andGB500112001havehighriskofcollapse;whilethestructuredesignedbasedonGB500112010showssmallcollapseprobability,buttherepairingcostishigh.Withthesuccessiverevisionoftheseismiccode,thefailureratioofstructuralcomponentsunderveryrareearthquakesdecreasesgraduallyforthestructuresdesignedbasedonthem.ThecolumnsofthestructuresdesignedbasedonGB 500112001 and GB 500112010 mainly present ductile damage,while the columns of the structuredesignedbasedonGBJ111989exhibitobviousbrittledamage.Keywords:seismic design code;RC frame;dynamic analysis;very rare earthquake;damage;repairabilityperformance为提高结构的抗震性能，减少地震中的人员伤亡和经济损伤，我国建筑结构抗震设计规范进行了多次修订，逐步建立了“强柱弱梁”、“强剪弱弯”和“强锚固”等利于结构抗震的设计理念1，形成了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防目标2，提出并细化了结构性能化的抗震设计要求3。然而，在近几十年来的多次大地震(如2008 年的汶川地震、2011 年的玉树地震、2013 年的雅安地震和 2017 年的九寨沟地震)中，大量现役 RC 框架结构均不同程度地呈现出与现行规范相违背的损伤模式，如填充墙的抗震性能严重不足致其整体坍塌4、梁柱节点区域的剪切破坏5等。现役 RC 框架结构大多是基于 GBJ111989、GB500112001 和 GB500112010 抗震设计规范所设计。由于经济和科技发展水平所限，我国抗震设防水准仍普遍低于美国、日本等发达国家67，并且 2008 年汶川地震的震害调查结果表明，按照GBJ111989 和 GB500112001 抗震设计规范设计的建筑结构，在大震和特大地震作用下的抗倒塌能力还有待进一步提高6。虽然 GB500112010 抗震设计规范明确指出，当结构遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震作用时，可能发生损坏，但经一般修理仍可继续使用；当结构遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏8，但并未严格给出结构遭受超罕遇地震等特大地震作用下的控制指标。而历次地震表明极震区的烈度可能会远高于设防烈度甚至大震(罕遇地震)水平，如 2008 年汶川地震的极震区实际烈度已达特大震水平6,9。为满足建筑的功能需求，基于三次规范设计的部分RC 框架结构呈现出底层层高大、上部层高小的形式，这类结构虽然较好地满足了结构的功能需求，但不可避免地造成结构刚度的竖向不均匀分布。有研究表明“下小上大”刚度分布模式会提高结构发生薄弱层破坏和倒塌的概率1011，故有必要对我国现役“下小上大”刚度分布模式的RC 框架结构在中震(设防地震)、大震(罕遇地震)及特大震下的抗震性能进行深入系统的研究。本文基于 OpenSees 有限元分析软件，建立按GBJ111989、GB500112001 和GB500112010抗震设计规范设计的 8 度(0.2g)设防地区实际工程的有限元模型。综合考虑填充墙等非结构构件、梁柱节点区的剪-弯复杂受力特性、柱端钢筋粘结滑移、结构构件(梁与柱)的退化等因素，评估现役 RC 框架结构的损伤模式、抗震性能及可修复性。首先对三个框架进行低周往复循环推覆分析，以研究结构的耗能能力和延性；其次，选取25 条地震动记录，分别调整至中震、大震和特大震三个水平进行动力分析，以研究结构的损伤模式、变形沿层高的分布特征及可修复性能。1分析算例1.1三次规范设计的多层 RC 框架结构考虑到结构参数(如结构空间布置和楼层高度118工程力学等)和构件参数(如梁柱尺寸、梁柱配筋和建筑材料等)是规范规定的主要设计参数，其直接决定着结构的抗震性能12。所以，本文