现有钢筋混凝土框架结构抗震鉴定方法试验研究
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摘要
对现有结构进行抗震鉴定及加固是减轻地震灾害的重要途径,本文总结了我国抗震鉴定的发展历程,分析了现阶段抗震鉴定方法存在的问题,针对钢筋混凝土框架结构抗震鉴定方法,展开试验研究与理论分析,完善了现有钢筋混凝土框架结构的抗震鉴定方法。本文主要进行了以下研究工作。
(1)按照等超越概率准则明确现有建筑的抗震设防目标与新建工程相同,明确了现有建筑抗震鉴定“三水准”的定义,确定了不同后续使用年限不同水准(小震、中震、大震)的重现期,给出了不同水准地震动参数的取值,并给出了简化取值方法,为不同后续使用年限的抗震鉴定提供依据。
(2)结合《建筑抗震鉴定标准》GB50023—-2009构造了三类钢筋混凝土框架柱,AO类框架柱构造满足非抗震设计要求,A类框架柱构造满足抗震鉴定标准中A类框架结构的要求,B类框架柱构造满足抗震鉴定标准中B类框架结构的要求。按照1：1.5的缩尺比例制作了15个模型柱进行低周反复加载试验,研究不同构造条件下钢筋混凝土框架柱的抗震性能。得到不同箍筋间距、不同轴压比、不同纵筋配置条件下框架柱的延性对比关系,为框架结构抗震鉴定体系影响系数的取值提供依据,提出为避免剪切破坏,对于现有框架柱箍筋当间距不小于200mm,轴压比超过0.6时应采取加固措施。
(3)采用Matlab语言编制了考虑剪切变形的钢筋混凝土框架柱非线性分析程序。利用所编程序对试验柱进行了计算分析,并在试验柱的基础之上,分析了不同参数对柱延性的影响,由分析结果可知,①轴压比和箍筋间距是影响柱延性的关键因素；②配箍率对延性的影响程度随轴压比的增大而减弱；③配箍率对延性的影响程度随箍筋间距的增大而减弱,箍筋间距较密时,增加配箍率才能显著提高柱的延性。
(4)在框架柱低周反复加载试验的基础上,进一步完成了两榀框架的低周反复加载试验,其中框架A的构造满足《建筑抗震鉴定标准》GB50023—2009中A类框架结构的要求,框架B的构造满足抗震鉴定标准中B类框架结构的要求,研究不同构造条件下钢筋混凝土框架结构的抗震性能,验证了鉴定标准中构造要求相对于B类框架(或设计规范)要求较低的A类框架的变形能力也能满足要求,能够保证大震作用下结构具有足够的变形能力而不倒塌。与同类型的单榀框架试验相比,本文试验模型除取6倍板厚做为框架梁翼缘外,还将房屋纵向的框架梁做出6倍板厚的长度,这样使梁柱节点受力状况更接近实际,梁柱节点区的破坏较轻,使试验能够更为准确的反映实际情况。
(5)采用“纤维梁+分层壳”的有限元分析模型对第4章的框架A和框架B进行静力弹塑性分析(推覆分析),计算分析结果与试验结果基本吻合,框架A和框架B均能满足对应后续使用年限的大震不倒的设防要求,说明抗震鉴定标准中不同后续使用年限框架结构的构造要求是适宜的。
(6)总计研究成果,统一了不同后续使用年限的现有建筑综合抗震能力计算方法,给出了框架柱体不同轴压比、不同箍筋间距和体积配箍率条件下体系影响系数的取值,并给出了工程应用实例。
综合以上研究工作,得出了如下创新性的研究成果：
(1)按照等超越概率的原则明确了现有建筑抗震鉴定三水准设防目标,确定了不同后续使用年限各设防水准的重现期,给出了不同后续使用年限的不同水准地震动参数取值以及简化的取值方法。并明确指出在进行结构抗震鉴定时,第二、三水准的地震作用采用与第一水准相同的调整系数,将偏于不安全。
(2)提出框架柱箍筋间距不小于200mm的现有建筑宜将轴压比控制在0.6以内,以避免发生脆性破坏。
(3)通过平面框架模型试验和推覆计算,明确指出：符合现行抗震鉴定标准A、B类要求的框架结构,在预期的后续使用年限内,可达到“大震不倒”的设防目标。
(4)提出了A、B类框架结构均可采用“综合抗震能力指数”进行抗震鉴定的观点,并给出了计算表达式以及关于轴压比、箍筋间距、体积配箍率的体系影响系数,能够更好地实现不同后续使用年的现有建筑抗震设防目标具有相同的概率保证。
Seismic appraisal and strengthening existing structures is an important way to reduce seismic damage. This paper reviews the development of seismic appraisal in China and analyzes the problem existing in seismic appraisal, with emphasis on the RC (reinforcement concrete) frames. Integrating earthquake testing and analyzing, this paper improves the seismic appraisal method for RC frame structures. The main aspects of research are as follows:
1. According to the equal probability of exceedance, this paper indicates that there is an accordant seismic precautionary target for existing buildings and new construction, i.e."three seismic precautionary criterions", and presents the respective return periods of different continuous seismic working life and seismic precautionary criterion (frequent earthquake, fortification earthquake and rare earthquake). The values of and simplified way to calculate the parameters of the ground motion are presented, which is necessary for the seismic appraisal based on different continuous working life.
2. According to standard for seismic appraisal of buildings (GB50023-2009), this paper attaches much importance to three types of RC frame columns, type AO (designed without taking seismic load into consideration), type A (meeting standard for seismic appraisal buildings requirements for RC frames of type A) and type B (meeting standard for seismic appraisal of buildings requirements for RC frames of type B). This paper describes the low cycle cyclic loading tests of fifteen column specimens, on the scale of1:1.5, aiming at the RC columns seismic performance with different details of seismic design. Test results indicate the columns ductility has pertinence with stirrup spacing, arrangement of longitudinal bars and axial-force-ratio, which is necessary to identify the structural system factor in seismic assessing. This paper promotes that the RC columns with stirrup space great than or equal to200mm and axial-force-ratio great than0.6, should be strengthened.
3. A nonlinear program concerning the shear deformation of the RC frame columns is written in Matlab. The influence of different factors on ductility is analyzed on the base of the test results and calculation. The analysis result indicates that axial-force-ratio and spacing of stirrup are the key factors affecting ductility. With the axial-force-ratio increasing, the influence of the stirrup ratio on columns ductility has weakened. The denser the stirrup space is the more influence the stirrup ratio has on the columns ductility. Only if the spacing of stirrup is dense, the great stirrup ratio can increases the ductility obviously.
4. Besides the low cycle cyclic test of columns, low cycle cyclic tests of two frames (type A meeting standard for seismic appraisal buildings requirements for RC frames of type A and type B meeting requirements for type B),aiming at studying the different seismic performance with different details of seismic design, are finished. The results indicate that although type A is more vulnerable than type B, the deform ability of type A can meet the requirement not to collapse in the rare earthquake. Different from other frame models, the beams in the6times plate thickness is taken into consideration in the test, which is closer to the reality. The frame joints have slight damage, which reflects the reality more exactly.
5. This paper introduces a fiber-beam plus layer-shell finite element analysis model to the pushover of type A and type B. The calculating results are consistent with the test results to a large extent. The case that both type A and type B can meet the requirement not to collapse in the rare earthquake illustrates that the requirements to different continuous seismic working life of standard for seismic appraisal buildings are appropriate.
6. Summarize the research result. Present the method to calculate the compound seismic capability of the existing buildings. Promote the values of structural system factor with different axial-force-ratio, stirrup spacing and volume stirrup ratio. And give some engineering projects.
The above research indicates the following innovative achievements:
1. According to equal exceedance probability, make the three levels seismic fortification target clear. Determine the return period of seismic fortification criterion with different continuous seismic working life respectively. The values of and simplified way to calculate the parameters of the ground motion are presented.
2. Present that in order to avoid shear damage, the axial-force-ratio of RC columns with stirrup space great than or equal to200mm should be less than0.6.
3. The results of tests and pushover analysis indicate that type A frame and type B frame of standard for seismic appraisal buildings can meet the requirement not to collapse in the rare earthquake.
4. Present the method to calculate the compound seismic capability of the existing RC frames, promote the values of structural system factor with different axial-force-ratio, stirrup spacing and volume stirrup ratio, which can make sure that the seismic precaution target of existing buildings with different seismic continuous working life have the same probability.
(1)按照等超越概率准则明确现有建筑的抗震设防目标与新建工程相同,明确了现有建筑抗震鉴定“三水准”的定义,确定了不同后续使用年限不同水准(小震、中震、大震)的重现期,给出了不同水准地震动参数的取值,并给出了简化取值方法,为不同后续使用年限的抗震鉴定提供依据。
(2)结合《建筑抗震鉴定标准》GB50023—-2009构造了三类钢筋混凝土框架柱,AO类框架柱构造满足非抗震设计要求,A类框架柱构造满足抗震鉴定标准中A类框架结构的要求,B类框架柱构造满足抗震鉴定标准中B类框架结构的要求。按照1：1.5的缩尺比例制作了15个模型柱进行低周反复加载试验,研究不同构造条件下钢筋混凝土框架柱的抗震性能。得到不同箍筋间距、不同轴压比、不同纵筋配置条件下框架柱的延性对比关系,为框架结构抗震鉴定体系影响系数的取值提供依据,提出为避免剪切破坏,对于现有框架柱箍筋当间距不小于200mm,轴压比超过0.6时应采取加固措施。
(3)采用Matlab语言编制了考虑剪切变形的钢筋混凝土框架柱非线性分析程序。利用所编程序对试验柱进行了计算分析,并在试验柱的基础之上,分析了不同参数对柱延性的影响,由分析结果可知,①轴压比和箍筋间距是影响柱延性的关键因素；②配箍率对延性的影响程度随轴压比的增大而减弱；③配箍率对延性的影响程度随箍筋间距的增大而减弱,箍筋间距较密时,增加配箍率才能显著提高柱的延性。
(4)在框架柱低周反复加载试验的基础上,进一步完成了两榀框架的低周反复加载试验,其中框架A的构造满足《建筑抗震鉴定标准》GB50023—2009中A类框架结构的要求,框架B的构造满足抗震鉴定标准中B类框架结构的要求,研究不同构造条件下钢筋混凝土框架结构的抗震性能,验证了鉴定标准中构造要求相对于B类框架(或设计规范)要求较低的A类框架的变形能力也能满足要求,能够保证大震作用下结构具有足够的变形能力而不倒塌。与同类型的单榀框架试验相比,本文试验模型除取6倍板厚做为框架梁翼缘外,还将房屋纵向的框架梁做出6倍板厚的长度,这样使梁柱节点受力状况更接近实际,梁柱节点区的破坏较轻,使试验能够更为准确的反映实际情况。
(5)采用“纤维梁+分层壳”的有限元分析模型对第4章的框架A和框架B进行静力弹塑性分析(推覆分析),计算分析结果与试验结果基本吻合,框架A和框架B均能满足对应后续使用年限的大震不倒的设防要求,说明抗震鉴定标准中不同后续使用年限框架结构的构造要求是适宜的。
(6)总计研究成果,统一了不同后续使用年限的现有建筑综合抗震能力计算方法,给出了框架柱体不同轴压比、不同箍筋间距和体积配箍率条件下体系影响系数的取值,并给出了工程应用实例。
综合以上研究工作,得出了如下创新性的研究成果：
(1)按照等超越概率的原则明确了现有建筑抗震鉴定三水准设防目标,确定了不同后续使用年限各设防水准的重现期,给出了不同后续使用年限的不同水准地震动参数取值以及简化的取值方法。并明确指出在进行结构抗震鉴定时,第二、三水准的地震作用采用与第一水准相同的调整系数,将偏于不安全。
(2)提出框架柱箍筋间距不小于200mm的现有建筑宜将轴压比控制在0.6以内,以避免发生脆性破坏。
(3)通过平面框架模型试验和推覆计算,明确指出：符合现行抗震鉴定标准A、B类要求的框架结构,在预期的后续使用年限内,可达到“大震不倒”的设防目标。
(4)提出了A、B类框架结构均可采用“综合抗震能力指数”进行抗震鉴定的观点,并给出了计算表达式以及关于轴压比、箍筋间距、体积配箍率的体系影响系数,能够更好地实现不同后续使用年的现有建筑抗震设防目标具有相同的概率保证。
Seismic appraisal and strengthening existing structures is an important way to reduce seismic damage. This paper reviews the development of seismic appraisal in China and analyzes the problem existing in seismic appraisal, with emphasis on the RC (reinforcement concrete) frames. Integrating earthquake testing and analyzing, this paper improves the seismic appraisal method for RC frame structures. The main aspects of research are as follows:
1. According to the equal probability of exceedance, this paper indicates that there is an accordant seismic precautionary target for existing buildings and new construction, i.e."three seismic precautionary criterions", and presents the respective return periods of different continuous seismic working life and seismic precautionary criterion (frequent earthquake, fortification earthquake and rare earthquake). The values of and simplified way to calculate the parameters of the ground motion are presented, which is necessary for the seismic appraisal based on different continuous working life.
2. According to standard for seismic appraisal of buildings (GB50023-2009), this paper attaches much importance to three types of RC frame columns, type AO (designed without taking seismic load into consideration), type A (meeting standard for seismic appraisal buildings requirements for RC frames of type A) and type B (meeting standard for seismic appraisal of buildings requirements for RC frames of type B). This paper describes the low cycle cyclic loading tests of fifteen column specimens, on the scale of1:1.5, aiming at the RC columns seismic performance with different details of seismic design. Test results indicate the columns ductility has pertinence with stirrup spacing, arrangement of longitudinal bars and axial-force-ratio, which is necessary to identify the structural system factor in seismic assessing. This paper promotes that the RC columns with stirrup space great than or equal to200mm and axial-force-ratio great than0.6, should be strengthened.
3. A nonlinear program concerning the shear deformation of the RC frame columns is written in Matlab. The influence of different factors on ductility is analyzed on the base of the test results and calculation. The analysis result indicates that axial-force-ratio and spacing of stirrup are the key factors affecting ductility. With the axial-force-ratio increasing, the influence of the stirrup ratio on columns ductility has weakened. The denser the stirrup space is the more influence the stirrup ratio has on the columns ductility. Only if the spacing of stirrup is dense, the great stirrup ratio can increases the ductility obviously.
4. Besides the low cycle cyclic test of columns, low cycle cyclic tests of two frames (type A meeting standard for seismic appraisal buildings requirements for RC frames of type A and type B meeting requirements for type B),aiming at studying the different seismic performance with different details of seismic design, are finished. The results indicate that although type A is more vulnerable than type B, the deform ability of type A can meet the requirement not to collapse in the rare earthquake. Different from other frame models, the beams in the6times plate thickness is taken into consideration in the test, which is closer to the reality. The frame joints have slight damage, which reflects the reality more exactly.
5. This paper introduces a fiber-beam plus layer-shell finite element analysis model to the pushover of type A and type B. The calculating results are consistent with the test results to a large extent. The case that both type A and type B can meet the requirement not to collapse in the rare earthquake illustrates that the requirements to different continuous seismic working life of standard for seismic appraisal buildings are appropriate.
6. Summarize the research result. Present the method to calculate the compound seismic capability of the existing buildings. Promote the values of structural system factor with different axial-force-ratio, stirrup spacing and volume stirrup ratio. And give some engineering projects.
The above research indicates the following innovative achievements:
1. According to equal exceedance probability, make the three levels seismic fortification target clear. Determine the return period of seismic fortification criterion with different continuous seismic working life respectively. The values of and simplified way to calculate the parameters of the ground motion are presented.
2. Present that in order to avoid shear damage, the axial-force-ratio of RC columns with stirrup space great than or equal to200mm should be less than0.6.
3. The results of tests and pushover analysis indicate that type A frame and type B frame of standard for seismic appraisal buildings can meet the requirement not to collapse in the rare earthquake.
4. Present the method to calculate the compound seismic capability of the existing RC frames, promote the values of structural system factor with different axial-force-ratio, stirrup spacing and volume stirrup ratio, which can make sure that the seismic precaution target of existing buildings with different seismic continuous working life have the same probability.
引文
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