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1、-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平安性研究二：延性框架和非延性框架的比照分析Abbie B. Liel, M.ASCE1, Curt B. Haselton, M.ASCE2, and Gregory G. Deierlein, F.ASCE3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构造在地震中的抗倒塌平安性，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构造建筑的可靠性。概率评估依赖于对构造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构造模型时构造倒塌的危险。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
2、构造，它们是根据1967年版统一建筑规*中的抗震规定设计的。结果说明，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构造发生倒塌的年平均频率*围为514，这比按现代规*设计的结果高出约40倍。这些数据说明新规*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平安性得到了改善。通过对延性和非延性构造的平安性比拟，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构造建筑物在地震倒塌中的危险。关键词：倒塌；地震工程；构造可靠度；钢筋混凝土构造；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立的钢筋混凝土框架构造缺乏好的抗震设计理念，例如
3、：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构造在加利福尼亚州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平安的一局部建筑。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*中的规定，也取决
4、于构造布置、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，选择适宜的危险承受值和最低的平安标准也是需要考虑的问题。在这方面，通过比拟评估根据新老建筑规*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承受的风险水平。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*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构造相比，现代规*要求对地震频发地区的框架构造要进展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，梁柱节点破坏以及构造薄弱层。虽然人们普遍认同对于建筑规*的这些修改是
5、适当的，但还是缺少足够的数据来量化其对地震平安性的改善程度。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构造倒塌的可能性。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构造响应和建筑性能联系起来。对非延性钢筋混凝土框架构造的评估基于对典型的构造所做的测试，这套构造是根据1967年统一建筑规*设计的。这些典型的构造代表了大约于1950年至1975年间在加州建造的普通钢筋混凝土框架构造。在构造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构造的倒塌进展预测。抗倒塌性能评估的成果是一系
6、列保障建筑平安的措施，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构造的数据进展比拟。原型钢筋混凝土框架构造这些非延性钢筋混凝土框架构造原型考虑了构造高度的变化，构造布置和细部设计，能够覆盖加州旧钢筋混凝土框架构造建筑物设计和性能的的预期*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
7、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38.1m53.3m，8层和12层建筑的平面尺寸为38.1m38.1m。建筑首层层高4.6m，其余层层高4.0m。我们参考了20世纪60年代在加州建立的钢混建筑的原构造图，来为原型构造选择典型的构造部置和几何形状。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拟规则，没有出现明显的强度或刚度突变。非延性钢混原型构造是按照1967年统一建筑规*中的最高地震烈度区3区设计的，那个时代加州的大局部都属于这个烈度区。二维框架的构造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*要求，包括最大
8、和最小配筋率和最大箍筋间距。1967年统一建筑规*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，本研究并没有进展这种折减，只考虑标准的细部构造。表1总结了每个构造的设计细节，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构造的抗倒塌性能与配套论文中的延性原型钢混构造做了比照。如表2总结，这些延性框架的设计依据了国际建筑规*ICC 2003、ASCE 7 (ASCE 2002),、和 ACI 318 (ACI 2005)中的规定，并符合所有相关规*中关于强度，刚度，承载能
9、力和特殊框架构造的要求。这些构造得益于自20世纪70年代以来钢筋混凝土抗震设计规*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良例如，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附注：a) 1967年统一建筑规*UBC中设计基底剪切系数取值为C=0.05/T1/30.10。对于抵抗力矩的框架T=0.1N，N是层数ICBO 1967；b) 现代建筑的设计基底系数根据设计场地的反响谱取值。洛杉矶场
10、地的设计反响谱SDS=1.0g，SD1=0.60g。计算式采用的周期根据规*公式算得，是构造的高度英尺，并且规定了计算周期的上限(ASCE 2002)；c) 柱子的属性沿构造高度变化，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(ACI 2005)；f) 梁属性沿构造的高度变化，此处列出的是第二层梁的属性；g) 所设计构造的梁柱构造优于平均水平；h) 所设计构造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附注：a) 此处列
11、出的是首层柱的参数；b) 轴向荷载包括恒荷载和25%的活荷载；c) 有效割线刚度为通过40%屈服强度时的割线刚度；d) 滞后能量耗散的计算公式为；e) 参数获得于对构造模型的特征值分析；f) 所设计构造梁柱的构造优于平均水平；g) 所设计构造的节点构造优于平均水平。比照表1所示的构造，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*的变化。尽管对设计基底剪力的方程进展了修改，但对于一样高度的延性和非延性钢混框架构造，计算的结果还是相当接近的，只有在计算最矮的构造时才有较大的偏差。两组建筑物之间明显的差异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。现代钢混框架构造受剪切能力设
12、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构造平均比非延性钢筋混凝土框架构造高出约30。非延性钢混框架构造对于梁柱节点区域的设计或加固也没有特别规定，而延性钢混框架构造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。为满足特殊框架构造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。分析模型能够表达柱子、梁、梁柱节
13、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。我们用端部局部铰接的构件模拟梁、柱及其节点，这些铰被局部约束以模拟真实情况，类似于弹簧铰。构造模型不包括任何非构造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. 钢筋混凝土框架构造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。根据一系列经历关系，我们对代表梁和柱构件的非线性弹簧特性进展了预测，这些关系将柱子的设计特征同建模参数联系起来，并与实验数据进展了校核。用于改良经历关系
14、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根底上的。图2a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cap,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pc，这决定了的柱子屈服后强度退化的速度。图2(b)说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
15、过程由弱化参数控制，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清楚显的。图 2. 用非弹性弹簧模拟位于4层框架构造首层中的钢筋混凝土柱，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
16、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公式的改良版本进展计算，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，取值为1220，公式为：V = 0.7bjh 。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
