钢筋混凝土结构抗震能力评估研究
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摘要
我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，因此对新建和既有建筑是否具有足够的抗震能力十分重视。钢筋混凝土结构是目前我国建筑结构的主要型式，其抗震能力是保障人民生命财产安全的重要指标。大量既有钢筋混凝土结构原设计的依据标准过低，加之耐久性及结构已有损伤等因素的影响，如何评估建筑结构的抗震能力成了非常重要的课题，迫切需要发展一套方法来定量评估抗震能力，使得抗震能力不足的建筑结构能及早加固或拆除。本文的目的就是结合我国最新的建筑工程抗震性态设计通则和现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范以及抗震设防标准，提供一套评估钢筋混凝土建筑结构抗震能力的定量方法。
本文的工作主要包括以下几个方面：
1．根据我国最新的建筑工程抗震性态设计通则、现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范及抗震设防标准，借鉴结构强度与延性的抗震评估理念，建立了一套基于强度与延性抗震评估理念与中国规范相结合的钢筋混凝土结构抗震评估体系。评估结果的表示参照美国ATC3-06的抗震能力比的表示方式，以崩塌地面运动加速度Ac表示结构的抗震能力。
本文利用ETABS软件计算结构的弹性地震内力，根据建筑结构实际构件的尺寸和配筋计算钢筋混凝土单元的强度与延性，研究了评估钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构的抗震能力的定量方法。在计算出建筑结构各楼层上、下半层的抗震能力即破坏时承受的地面运动加速度Ac后，将其与目标地震加速度相比较，判断建筑结构各楼层的抗震能力是否满足要求。
在评估既有建筑结构的抗震能力时，根据我国最新的建筑工程抗震性态设计通则，本文考虑了建筑结构的剩余使用寿命、地震危险性特征分区以及不同设防水准的超越概率等因素，使评估既有建筑结构是否满足抗震设防要求的地面运动地震加速度标准更趋合理。
2．基于强度与延性的抗震评估理念及钢筋混凝土结构理论，实现了对钢筋混凝土结构单元抗震能力的评估，建立了对薄弱楼层、薄弱单元的抗震加固分析体系。本文关于钢筋混凝土结构单元的薄弱环节分析，是在钢筋混凝土结构抗震能力评估之后进行的。根据计算出的钢筋混凝土单元的承载力，评估单元弹性和塑性极限，并结合单元在目标地震作用下的受力，评估单元在目标地震作用下的受力状态，在此基础上判断单元是否为薄弱单元。本文给出了薄弱楼层和薄弱单元的判断标准，并确定了结构单元加固的合理目标及加固顺序，提供了对加固后的结构进行评估的简便方法，以检验楼层、单元加固的合理性。
3．利用VC++语言编制分析计算软件程序。计算程序共分前处理、抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法四个模块，各模块既相互独立又可组成一个有机体。抗震评估模块实现了对钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构进行抗震能力的定量评估，薄弱楼层、薄弱单元分析与加固模块实现了对结构薄弱层、薄弱单元的分析判断以及加固后结构抗震能力的分析评估。简化能力谱方法模块是基于性态的抗震能力评估方法，基于使用上的方便而将其整合在同一软件平台上。本文根据钢筋混凝土抗震评估分析理论编制的程序，除可定量评估建筑结构抗震能力外，还可从评估结果了解造成抗震能力不足的原因。该评估计算软件界面友好，操作简便，为抗震评估和加固方法的推广应用提供了良好前景。
4．利用基于性态的能力谱抗震能力评估理念，对建筑结构进行非线性静力分析，探讨了适合对既有钢筋混凝土结构进行抗震评估简化的能力谱方法。本文探讨的方法不是根据需求谱与能力谱有无交点(性能点)作为评估依据，而是以能力谱为根据求出既有建筑物相应的抗震能力，并与地震需求相比较，判断既有建筑物的抗震能力是否达到要求。该方法能给出在地震作用下结构的延性发展，以及在不同延性状态下建筑物的抗震能力。同时，利用VC++语言编制了计算软件程序，实现了对既有钢筋混凝土结构进行简化能力谱方法的抗震评估，并为该评估方法的实际应用提供了方便条件。
5．运用基于强度与延性的钢筋混凝土结构抗震能力评估方法对广西防震减灾指挥中心大楼、广西南宁市广播电视技术大楼和南宁市新屋小学教学楼的抗震能力进行了实例分析评估，检验了本文提出的理论方法及编制的计算程序的合理性及实用性，同时对评估结果进行了分析。
在南宁市新屋小学教学楼工程算例中，同时采用了简化的能力谱法对结构进行了分析，通过对比两种评估方法得到的结果，可以发现基于强度与延性的评估法和简化的能力谱法的评估结果基本一致，而且符合建筑结构抗震能力的实际。因此，对既有建筑结构的抗震能力评估，基于强度与延性方法和简化的能力谱法都是有效的评估方法。
本文还对南宁市新屋小学教学楼工程进行了薄弱环节分析及加固实例分析，并且运用能力谱方法对加固前后建筑结构抗震能力进行了评估，通过对比分析验证了本文加固评估理论的有效性及合理性。
China is one of the countries suffered the worst seismic hazard in the world, therefore, much attention is paid that whether the newly-built and existing construction has the sufficient seismic resistance capacity, reinforced concrete structure is the principal pattern of building construction in our country, The seismic resistance capacity is the important index of safeguarding the lives and property of the people, the basis standard of the former design of the reinforced concrete structure in great quantities is too low, in addition of the damage of durability and structure, it has become a very important research project how to evaluate the seismic resistance capacity of building construction. It stands in need of developing one method for evaluating quantitatively the seismic resistance capacity of building construction so that the construction lack of seismic resistance capacity can be reinforced or even removed. The purpose of this paper is to provide one quantitative method for evaluating the seismic resistance capacity of reinforced concrete building construction by combining our country's latest design general rule of anti-seismic behavior of construction project, the current design code of building aseismicity, concrete structure design code and earthquake-resistant fortifying standard.
The content of the paper mainly comprises several aspects hereinafter:
1. According to our country's latest design general rules of anti-seismic behavior of construction project, the current design code of building aseismicity, concrete structure design code and earthquake-resistant fortifying standard, the paper uses the idea of anti-seismic evaluation structural strength and ductility for reference to establish the anti-seismic evaluation system of reinforced concrete structure based on combining the anti-seismic idea of strength and ductility and China criterion. The expression of evaluating results refers to that of the seismic resistance capacity ratio of American ATC3-06, the seismic resistance capacity of construction is expressed by dilapidation ground motion acceleration Ac.
The paper adopts ETABS soft not only in calculating the inner force of elastic seism, but also in calculating the strength and ductility of reinforced concrete unit according to the size of the practical components of building construction and constructional reinforcement, meanwhile, the paper also studies the quantitative method for evaluating the seismic resistance capacity of reinforced concrete frame structure and shear wall frame structure. After seismic resistance capacity of upper and lower half floors of each story, i.e. the ground motion acceleration undergone when ruptured, is calculated, the comparison made between Ac and the target seismic acceleration can judge whether the seismic resistance capacity of all stories of building construction meet the demand
When the paper evaluates the seismic resistance capacity of the existing construction, the residual useful life of building construction, the characteristic subarea of seismic risk and the transcendental probability of different fortifying levels have to be considered in this paper according to our country's latest design general rules of anti-seismic behavior of construction project, in order to make the ground motion acceleration standard using for evaluating whether the existing building construction meet the anti-seismic fortifying demand more reasonable.
2. The seismic resistance capacity evaluation of reinforced concrete structure cell can be finished on the basis of the idea of anti-seismic evaluation strength and ductility and of the theory of reinforced concrete structure, and the analysis system of seismic upgrading of vulnerable stories and vulnerable units are also established. The analysis about vulnerable characteristic of reinforced concrete structure unit is discussed in the paper after the seismic resistance capacity evaluation of reinforced concrete structure has been finished. According to the bearing capacity of reinforced concrete unit calculated, the elasticity limit and plasticity limit of evaluating unit, and by considering the stress of unit under target seismic action , and considering the stress state of evaluation unit under the target seismic action, whether the unit is vulnerable can be judged. The rationality of story upgrading and unit upgrading can be proved when the paper provides yardstick of vulnerable story and vulnerable unit, and defines the reasonable target and order of upgrading of construction unit, and provides the simple evaluation method of construction after upgrading,.
3. The VC++ language can be used to compile analysis computing software program. The computing program includes three Module Blocks, MB pre-processing, MB seismic resistance capacity evaluation and MB both element analysis and reinforcement of vulnerable story and vulnerable cell, these three modules are mutual independent as well as constitute a organic whole. The MB anti-seismic evaluation evaluates quantitatively seismic resistance capacity of reinforced concrete frame structure and shear wall frame structure, MB both element analysis and reinforcement of vulnerable story and vulnerable cell implements the analytical judge of vulnerable structural story and vulnerable structural cell, and analytical evaluation of seismic resistance capacity of structure after reinforcement. According to the programs compiled basing on theory of anti-seismic evaluation and analysis of reinforced concrete structure, the paper not only evaluates quantitatively the seismic resistance capacity of building construction but also finds out the cause of the scarce seismic resistance capacity from the evaluation results. The evaluation computing software interface is friendly, easy to operate and the soft also provides better prospects for the popularization of evaluation method.
4. The simplified capacity spectrum method suitable for seismic resistant evaluation of the existing reinforced concrete structure is explored by adopting the idea of seismic resistance capacity evaluation of capacity spectrum on the basis of behavior in analyzing the nonlinearity static of the architectural construction. The method discussed in this paper judges whether seismic resistance capacity of existing buildings meets the demand by basing on a comparison between seismic demand and corresponding seismic resistance capacity of the existing building calculated by capacity spectrum but not on whether demand spectrum and capacity spectrum have intersection point. This method could show the ductility development of construction under the seismic action. And show the seismic resistance capacity of buildings under different ductility. Simultaneously the calculation software program compiled with VC++ language. Is used for implementing the seismic resistance evaluation of simplified capacity spectrum method for the existing reinforced concrete structure. The program provides convenience for the practical application of evaluation method,
5. Guangxi Control Center Building of seism prevention & Disaster relief, Guangxi TV & Radio Building (Nanning) and the School Building of Nanning Xinwu Primary School have been taken for instance for the evaluation method of seismic resistance capacity of reinforced concrete structure based on strength and ductility, these examples verified the practicability and rationality of calculation program compiled and of theoretical method offered in the paper, simultaneously the evaluation result was analyzed.
The paper also adopts the simplified capacity spectrum method in analyzing the structure in the project calculation example of the School Building of Nanning Xinwu Primary School, by comparing the results from both methods, it is found that the evaluation result based on strength and ductility accords with that based on simplified capacity spectrum method, and the evaluation result fitted reality of seismic resistance capability of building construction. Therefore, for the seismic resistance capability evaluation of the existing building construction, the method based on strength and ductility and the simplified capacity spectrum method are effective evaluation methods
The paper, in addition, makes the analysis of vulnerable characteristic and upgrading example of the construction project of the School Building of Nanning Xinwu Primary School, the paper also evaluates the seismic resistance capability of building construction before and after upgrading by adopting capacity spectrum method, the validity and rationality of the theory of upgrading and evaluation from this paper is verified through contrast and analysis.
本文的工作主要包括以下几个方面：
1．根据我国最新的建筑工程抗震性态设计通则、现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范及抗震设防标准，借鉴结构强度与延性的抗震评估理念，建立了一套基于强度与延性抗震评估理念与中国规范相结合的钢筋混凝土结构抗震评估体系。评估结果的表示参照美国ATC3-06的抗震能力比的表示方式，以崩塌地面运动加速度Ac表示结构的抗震能力。
本文利用ETABS软件计算结构的弹性地震内力，根据建筑结构实际构件的尺寸和配筋计算钢筋混凝土单元的强度与延性，研究了评估钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构的抗震能力的定量方法。在计算出建筑结构各楼层上、下半层的抗震能力即破坏时承受的地面运动加速度Ac后，将其与目标地震加速度相比较，判断建筑结构各楼层的抗震能力是否满足要求。
在评估既有建筑结构的抗震能力时，根据我国最新的建筑工程抗震性态设计通则，本文考虑了建筑结构的剩余使用寿命、地震危险性特征分区以及不同设防水准的超越概率等因素，使评估既有建筑结构是否满足抗震设防要求的地面运动地震加速度标准更趋合理。
2．基于强度与延性的抗震评估理念及钢筋混凝土结构理论，实现了对钢筋混凝土结构单元抗震能力的评估，建立了对薄弱楼层、薄弱单元的抗震加固分析体系。本文关于钢筋混凝土结构单元的薄弱环节分析，是在钢筋混凝土结构抗震能力评估之后进行的。根据计算出的钢筋混凝土单元的承载力，评估单元弹性和塑性极限，并结合单元在目标地震作用下的受力，评估单元在目标地震作用下的受力状态，在此基础上判断单元是否为薄弱单元。本文给出了薄弱楼层和薄弱单元的判断标准，并确定了结构单元加固的合理目标及加固顺序，提供了对加固后的结构进行评估的简便方法，以检验楼层、单元加固的合理性。
3．利用VC++语言编制分析计算软件程序。计算程序共分前处理、抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法四个模块，各模块既相互独立又可组成一个有机体。抗震评估模块实现了对钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构进行抗震能力的定量评估，薄弱楼层、薄弱单元分析与加固模块实现了对结构薄弱层、薄弱单元的分析判断以及加固后结构抗震能力的分析评估。简化能力谱方法模块是基于性态的抗震能力评估方法，基于使用上的方便而将其整合在同一软件平台上。本文根据钢筋混凝土抗震评估分析理论编制的程序，除可定量评估建筑结构抗震能力外，还可从评估结果了解造成抗震能力不足的原因。该评估计算软件界面友好，操作简便，为抗震评估和加固方法的推广应用提供了良好前景。
4．利用基于性态的能力谱抗震能力评估理念，对建筑结构进行非线性静力分析，探讨了适合对既有钢筋混凝土结构进行抗震评估简化的能力谱方法。本文探讨的方法不是根据需求谱与能力谱有无交点(性能点)作为评估依据，而是以能力谱为根据求出既有建筑物相应的抗震能力，并与地震需求相比较，判断既有建筑物的抗震能力是否达到要求。该方法能给出在地震作用下结构的延性发展，以及在不同延性状态下建筑物的抗震能力。同时，利用VC++语言编制了计算软件程序，实现了对既有钢筋混凝土结构进行简化能力谱方法的抗震评估，并为该评估方法的实际应用提供了方便条件。
5．运用基于强度与延性的钢筋混凝土结构抗震能力评估方法对广西防震减灾指挥中心大楼、广西南宁市广播电视技术大楼和南宁市新屋小学教学楼的抗震能力进行了实例分析评估，检验了本文提出的理论方法及编制的计算程序的合理性及实用性，同时对评估结果进行了分析。
在南宁市新屋小学教学楼工程算例中，同时采用了简化的能力谱法对结构进行了分析，通过对比两种评估方法得到的结果，可以发现基于强度与延性的评估法和简化的能力谱法的评估结果基本一致，而且符合建筑结构抗震能力的实际。因此，对既有建筑结构的抗震能力评估，基于强度与延性方法和简化的能力谱法都是有效的评估方法。
本文还对南宁市新屋小学教学楼工程进行了薄弱环节分析及加固实例分析，并且运用能力谱方法对加固前后建筑结构抗震能力进行了评估，通过对比分析验证了本文加固评估理论的有效性及合理性。
China is one of the countries suffered the worst seismic hazard in the world, therefore, much attention is paid that whether the newly-built and existing construction has the sufficient seismic resistance capacity, reinforced concrete structure is the principal pattern of building construction in our country, The seismic resistance capacity is the important index of safeguarding the lives and property of the people, the basis standard of the former design of the reinforced concrete structure in great quantities is too low, in addition of the damage of durability and structure, it has become a very important research project how to evaluate the seismic resistance capacity of building construction. It stands in need of developing one method for evaluating quantitatively the seismic resistance capacity of building construction so that the construction lack of seismic resistance capacity can be reinforced or even removed. The purpose of this paper is to provide one quantitative method for evaluating the seismic resistance capacity of reinforced concrete building construction by combining our country's latest design general rule of anti-seismic behavior of construction project, the current design code of building aseismicity, concrete structure design code and earthquake-resistant fortifying standard.
The content of the paper mainly comprises several aspects hereinafter:
1. According to our country's latest design general rules of anti-seismic behavior of construction project, the current design code of building aseismicity, concrete structure design code and earthquake-resistant fortifying standard, the paper uses the idea of anti-seismic evaluation structural strength and ductility for reference to establish the anti-seismic evaluation system of reinforced concrete structure based on combining the anti-seismic idea of strength and ductility and China criterion. The expression of evaluating results refers to that of the seismic resistance capacity ratio of American ATC3-06, the seismic resistance capacity of construction is expressed by dilapidation ground motion acceleration Ac.
The paper adopts ETABS soft not only in calculating the inner force of elastic seism, but also in calculating the strength and ductility of reinforced concrete unit according to the size of the practical components of building construction and constructional reinforcement, meanwhile, the paper also studies the quantitative method for evaluating the seismic resistance capacity of reinforced concrete frame structure and shear wall frame structure. After seismic resistance capacity of upper and lower half floors of each story, i.e. the ground motion acceleration undergone when ruptured, is calculated, the comparison made between Ac and the target seismic acceleration can judge whether the seismic resistance capacity of all stories of building construction meet the demand
When the paper evaluates the seismic resistance capacity of the existing construction, the residual useful life of building construction, the characteristic subarea of seismic risk and the transcendental probability of different fortifying levels have to be considered in this paper according to our country's latest design general rules of anti-seismic behavior of construction project, in order to make the ground motion acceleration standard using for evaluating whether the existing building construction meet the anti-seismic fortifying demand more reasonable.
2. The seismic resistance capacity evaluation of reinforced concrete structure cell can be finished on the basis of the idea of anti-seismic evaluation strength and ductility and of the theory of reinforced concrete structure, and the analysis system of seismic upgrading of vulnerable stories and vulnerable units are also established. The analysis about vulnerable characteristic of reinforced concrete structure unit is discussed in the paper after the seismic resistance capacity evaluation of reinforced concrete structure has been finished. According to the bearing capacity of reinforced concrete unit calculated, the elasticity limit and plasticity limit of evaluating unit, and by considering the stress of unit under target seismic action , and considering the stress state of evaluation unit under the target seismic action, whether the unit is vulnerable can be judged. The rationality of story upgrading and unit upgrading can be proved when the paper provides yardstick of vulnerable story and vulnerable unit, and defines the reasonable target and order of upgrading of construction unit, and provides the simple evaluation method of construction after upgrading,.
3. The VC++ language can be used to compile analysis computing software program. The computing program includes three Module Blocks, MB pre-processing, MB seismic resistance capacity evaluation and MB both element analysis and reinforcement of vulnerable story and vulnerable cell, these three modules are mutual independent as well as constitute a organic whole. The MB anti-seismic evaluation evaluates quantitatively seismic resistance capacity of reinforced concrete frame structure and shear wall frame structure, MB both element analysis and reinforcement of vulnerable story and vulnerable cell implements the analytical judge of vulnerable structural story and vulnerable structural cell, and analytical evaluation of seismic resistance capacity of structure after reinforcement. According to the programs compiled basing on theory of anti-seismic evaluation and analysis of reinforced concrete structure, the paper not only evaluates quantitatively the seismic resistance capacity of building construction but also finds out the cause of the scarce seismic resistance capacity from the evaluation results. The evaluation computing software interface is friendly, easy to operate and the soft also provides better prospects for the popularization of evaluation method.
4. The simplified capacity spectrum method suitable for seismic resistant evaluation of the existing reinforced concrete structure is explored by adopting the idea of seismic resistance capacity evaluation of capacity spectrum on the basis of behavior in analyzing the nonlinearity static of the architectural construction. The method discussed in this paper judges whether seismic resistance capacity of existing buildings meets the demand by basing on a comparison between seismic demand and corresponding seismic resistance capacity of the existing building calculated by capacity spectrum but not on whether demand spectrum and capacity spectrum have intersection point. This method could show the ductility development of construction under the seismic action. And show the seismic resistance capacity of buildings under different ductility. Simultaneously the calculation software program compiled with VC++ language. Is used for implementing the seismic resistance evaluation of simplified capacity spectrum method for the existing reinforced concrete structure. The program provides convenience for the practical application of evaluation method,
5. Guangxi Control Center Building of seism prevention & Disaster relief, Guangxi TV & Radio Building (Nanning) and the School Building of Nanning Xinwu Primary School have been taken for instance for the evaluation method of seismic resistance capacity of reinforced concrete structure based on strength and ductility, these examples verified the practicability and rationality of calculation program compiled and of theoretical method offered in the paper, simultaneously the evaluation result was analyzed.
The paper also adopts the simplified capacity spectrum method in analyzing the structure in the project calculation example of the School Building of Nanning Xinwu Primary School, by comparing the results from both methods, it is found that the evaluation result based on strength and ductility accords with that based on simplified capacity spectrum method, and the evaluation result fitted reality of seismic resistance capability of building construction. Therefore, for the seismic resistance capability evaluation of the existing building construction, the method based on strength and ductility and the simplified capacity spectrum method are effective evaluation methods
The paper, in addition, makes the analysis of vulnerable characteristic and upgrading example of the construction project of the School Building of Nanning Xinwu Primary School, the paper also evaluates the seismic resistance capability of building construction before and after upgrading by adopting capacity spectrum method, the validity and rationality of the theory of upgrading and evaluation from this paper is verified through contrast and analysis.
引文
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