ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
汇总了清华大学、西南交通大学和北京交通大学土木工程结构专家组在四川地震主要灾区所调查的建筑震害资料,根据建筑的结构类别、建造年代、地震区估计烈度和使用功能进行了震害状况统计分析。结合典型工程震害案例,分析了此次地震中的建筑震害特点,总结了结构抗震概念设计、结构抗震设计和工程质量管理等方面的经验和教训。根据震害调查统计和典型震害分析,得到以下结论:严格执行抗震设计规范是保证建筑物抗震性能的主要前提;砌体结构应加强结构体系和抗震构造措施设计,并保证施工质量;框架结构应加强围护结构和填充墙与主体结构的抗震构造措施,并应改进"强柱弱梁"的设计;应进一步重视整体结构抗震概念设计;应充分考虑非结构构件的影响。
结合地震调查结果,介绍并分析了工程地质震害、建筑物震害和生命线工程的震害现象。得到以下主要结论:在强震区对重要建筑应选取合适的建筑结构体系来抵御地震作用;应高度重视建筑结构的抗震概念设计和耗能减震技术的应用;在强地震活动区要对现有房屋进行全面的安全性评定;应加强桥梁结构与公路路基路面的抗震设计和研究工作;应高度重视通讯和供电供水等设施的抗震设计和研究工作,确保震后电力供应和通讯畅通,为抗震救灾工作赢得时间。分析结果可供建筑抗震设计、灾后重建和今后有关规范的修订参考。
汶川大地震造成大量房屋建筑破坏倒塌,通过在地震区对遭受中震、大震作用的砌体结构和钢筋混凝土结构以及非结构构件的震害调查与分析,以典型的结构破坏为例,针对多道抗震防线、强柱弱梁、剪力墙连梁、砌体结构整体性、楼梯间、非结构构件等抗震设计问题,对照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)所规定的抗震概念设计原则进行讨论,总结经验教训,提出改进建议。震害分析结果表明,只要严格按照规范设计,保证施工质量,房屋建筑就能达到"小震不坏,中震可修,大震不倒"的三水准设防目标。
汶川大地震造成大量房屋建筑破坏倒塌,通过对砌体结构和工业厂房、设备及设施的震害调查与分析,对我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)的三水准设防和抗震设计基本要求进行探讨,分别对比了在遭遇"小震"、"中震"和"大震"情况下,按一定设防烈度设计的房屋建筑的破坏状态,判别是否达到了设防目标。结果表明,在1990年以后设计建造的房屋建筑,基本都能达到三水准抗震设防目标,严重破坏或倒塌的大多是建造年代较早、设计不满足规范要求或施工质量存在问题的建筑。针对抗震设计规范中有关结构整体性、传力路径、地基基础、抗震缝、疏散通道、设备和设施的抗震设计基本要求,对照实际震害情况,包括过去地震震害情况,总结经验教训,提出改进意见。对震前经过加固的建筑物在地震中的表现作了介绍,证明了结构抗震加固的效果和必要性。
通过对四川江油市、成都市、彭州市、绵阳市汉旺镇、甘肃天水市、陕西汉中市单层钢筋混凝土柱厂房的震害调查,以及对典型震害的分析,得出以下结论:按抗震规范设计的建筑,钢筋混凝土主体结构破坏轻微;非结构构件震害相对比较严重,特别是纵墙端开间、高大山墙、高低跨悬墙,以及高大设备和基础的连接;未进行抗震设计且未进行加固的老厂房震害一般较严重。为此,要特别加强非结构构件和高大设备的抗震设计,对未进行抗震设计的老厂房要尽快安排抗震加固。
工程结构的抗震能力是社会抗震防灾系统的第一道防线。建筑物的倒塌是造成地震灾害的主要原因。建筑物在地震中的破坏程度,大体决定了震害的严重程度。因此,建筑结构的抗震能力,特别是抗地震倒塌能力,是地震区抗震防灾能力的最重要组成部分。文中运用系统科学的思想,介绍了提高建筑结构整体抗震能力的设计思想,结合汶川地震中建筑震害的教训,重点针对建筑结构抗地震倒塌能力,讨论了建筑结构抗震设计中应注意的问题和改进建议。研究结果表明:建筑结构系统的安全储备分为基本安全储备、整体安全储备与意外安全储备三个层次。结构的整体抗震能力和抗地震倒塌能力取决于整体安全储备和意外安全储备,意外安全储备不足是汶川地震建筑结构震害严重的主要原因。结构系统的意外安全储备主要来自其鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性。目前对于结构系统的整体安全储备和意外安全储备的研究很不够,结构设计规范的相关规定和要求也有待进一步完善。
提出一种芯钢管连接的钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的新型节点形式。在钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接区,局部间断钢管混凝土柱的外钢管,设置芯钢管连接上下钢管混凝土柱,使钢筋混凝土梁中的钢筋直接伸入节点,节点混凝土与梁中混凝土成为整体,简化了节点构造,保证了节点刚度。通过半连通角节点模型试验,研究了节点试件的破坏过程、破坏形态、节点区各组成部分的荷载-应变关系。研究表明,芯钢管混凝土对节点强度、刚度有重要作用。试件破坏是由梁和柱的破坏引起,直至试件达到极限状态,节点尚未破坏,证实了这种节点的可行性,且满足"强柱、弱梁、节点更强"的抗震设计原则。
对一个单层、单跨、三榀、采用橡胶垫螺栓连接梁柱节点的装配式预制混凝土框架结构1/2缩尺模型进行拟动力试验,研究该结构在地震作用下的破坏模式、变形、滞回、耗能、强度、刚度等抗震性能。试验结果表明:此类装配式预制混凝土框架结构具有较好的抗震性能;采用橡胶垫螺栓连接的梁柱节点在试验中工作状态良好,而采用焊接连接的板梁节点在试验中破坏严重;屋面板与梁的焊接节点是此类结构的抗震薄弱环节。建议今后工程设计中对此类结构的板梁连接节点进行加强或采用柔性连接。
设计制作了一种摩擦摆隔震支座,并将其置于基础与上部结构之间,完成了一6层单跨钢框架摩擦摆隔震体系模拟地震振动台试验。针对不同场地从模型振动台试验和有限元计算两个方面进行了全面研究,并将两者结果进行比较。试验及有限元分析结果表明:理论分析和试验研究结果吻合较好,摩擦摆隔震装置能够有效的延长上部结构的自振周期,限制隔震层过大位移,同时具有自动回位的功能,有效减少了地震作用对上部结构的影响,隔震效果明显。
针对工程中经常使用的框支剪力墙结构,提出采用钢骨混凝土转换梁、框支柱对其加强,以改善结构抗震性能。进行了4榀1/4缩尺比例的模型试件拟静力试验,施加竖向荷载和单调及往复水平荷载,其中3榀试件采用钢骨混凝土转换梁和框支柱,1榀试件采用钢筋混凝土转换梁和框支柱。研究了结构承载力、变形、刚度、延性、耗能能力和破坏形态。试验结果表明,结构配置钢骨后各项性能指标均得到改善,延性系数可提高2.29~3.43倍。基于理论公式及试验数据,进一步建立了单调荷载和往复荷载作用下结构三折线型恢复力模型,模型考虑了强度退化和刚度退化,与试验结果较为吻合。
为了研究一字形短肢剪力墙的抗震性能,对其进行了低周反复荷载试验研究。设计制作6片不同轴压比(0.3、0.5、0.7分别制作二组)和3片不同配筋方式的一字形短肢剪力墙模型及试验加载装置,对9片剪力墙进行了抗震性能试验。基于试验结果,对试件的破坏形态、滞回性能、位移延性、耗能能力、刚度退化等方面进行了分析,结果表明:轴压比对一字形短肢剪力墙的抗震性能影响较大,随着轴压比的增大,试件表现出明显的脆性破坏;配有X型交叉筋的短肢剪力墙的裂缝分布均匀,承载能力较高,延性较好。提出了一字形短肢剪力墙一般应采用带暗柱及X形交叉配筋形式并严格控制轴压比限值等建议。
通过高轴压比下8个加芯混凝土框架柱和1个普通混凝土框架柱低周往复加载的模型试验,阐述了主要试验现象及破坏形态,对各试件的P-Δ滞回曲线、位移延性系数、极限位移转角、屈服荷载和极限荷载等试验结果进行了研究,分析了加芯混凝土框架柱延性和承载力的影响因素。结果表明:通过对芯柱进行合理设置,加芯混凝土框架柱具有良好的滞回延性和较高的抗震承载力,可明显改善普通混凝土框架柱在高轴压比下的抗震性能,弹塑性变形能力能够满足抗震要求;芯柱的纵筋配筋率、截面面积和体积配箍率是影响加芯混凝土框架柱延性和承载力的主要因素。结合以往的研究成果,本文提出了加芯混凝土框架柱轴压比限值的建议值、正截面承载力计算公式以及相关设计建议。
研究了由同心设置的内、外圆钢管构成的轴心受压双钢管混凝土短柱正截面受压承载力,分析了单钢管混凝土柱与双钢管混凝土柱的受力机理,并根据纤维模型法原理,采用适用于钢管混凝土受力特性的钢材与混凝土材料本构关系,给出了轴心受压双钢管混凝土短柱的荷载-位移全过程数值分析和正截面承载力计算公式。进行了5个双钢管混凝土短柱的轴心受压试验,验证理论分析的正确性。理论分析与试验研究表明:轴心受压双钢管混凝土短柱与单钢管混凝土柱的受力全过程都可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。双钢管混凝土短柱的破坏形态为腰鼓形,其外层混凝土的工作性能与单钢管中的混凝土大致相同,但内钢管中的内层混凝土受到的约束效应较大,且不是内、外钢管对它的约束效应的叠加,因此对内层混凝土约束效应的确定是计算承载力的关键。通过与相同含钢率的轴心受压单钢管混凝土短柱受力过程的对比得出:双钢管混凝土柱的承载力明显高于单钢管混凝土柱,且具有非常好的延性和整体
采用对空气扩散有限制的典型爆炸超压模型,考虑应变速率和损伤累积效应对钢材的影响,应用ABAQUS有限元分析软件,对钢柱和平面钢框架在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏模式进行了数值模拟和分析。结果表明:采用Johnson-Cook本构模型以及考虑损伤累积效应的失效准则,可以有效地模拟钢结构在爆炸荷载作用下的动力反应;降低柱顶集中荷载或者减小柱长度,可以有效地提高钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力;在爆炸荷载作用下,钢柱产生不可恢复的塑性变形而丧失承载能力,是平面钢框架发生整体倒塌的主要原因。
在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土构件和结构的动力响应较之地震荷载和静态荷载作用下要复杂得多。运用有限元显式动力分析软件LS-DYNA,建立了典型钢筋混凝土柱的三维有限元模型,该模型对钢筋混凝土采用分离式建模,并且考虑了材料的应变率效应和钢筋与混凝土间的粘结滑移。在该有限元模型的基础上,通过对爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱动态响应的数值模拟,研究了钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下可能的破坏模式及其规律。同时,运用参数化分析方法,研究了截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度、纵筋配筋率和配箍率等参数对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应的影响,在数值模拟结果的基础上,分析提出了钢筋混凝土柱抗爆设计时应当注意的问题。研究结果表明:在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土柱的破坏模式不仅和自身的特性有关,还取决于爆炸荷载的类型。提高柱截面惯性矩和混凝土轴心抗压强度,能够显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的柱中水平位移,从而提高其抗爆性能。增加配箍
腹板柱复合空腹桁架转换结构(以下简称腹板柱转换结构)是一种新型的结构形式。通过在框架梁间的适当位置设置腹板柱,使梁上出现多个弯矩峰值点,同时弯矩峰值也大大降低,从而优化结构的内力分布。通过模型试验对腹板柱转换结构进行了抗震性能试验研究,在水平往复荷载作用下的试验结果表明结构各层跨中梁梁端形成塑性铰,随后底层柱两端开始屈服并最终形成塑性铰;结构开始为弯曲变形,结构屈服后也出现剪切变形,抗震变形能力较好;各层结构位移延性系数处于现行抗震规范对结构延性系数3.6~7.33的合理要求范围内,结构的侧移和层间弹塑性位移角限值也满足有关规范要求,但结构底层位移延性系数较大;随着顶点位移角的增大,侧移刚度逐步衰减,但侧移刚度衰减速度由快逐渐变慢。结合工程应用对该结构形式提出了设计建议,设计时要提高底层和2层跨中梁端部的配筋率;适当加大底层柱截面形成变截面柱;对一层或几层梁施加预应力;提出了腹板柱设置位置和刚度要求。该结构在某建筑物
基于预应力高强度CFRP板加固混凝土梁的受弯试验与理论分析,对其设计理论进行了较系统的研究。提出了CFRP板预应力损失和预应力CFRP板加固混凝土梁抗裂度的计算方法。通过截面极限状态分析,分别提出了界限破坏、受压破坏和受拉破坏模式下受弯承载力的理论计算公式。建议CFRP板的张拉控制应力取为其极限抗拉强度的0.5~0.6倍。此外,在考虑预应力CFRP板等代的基础上,提出了预应力CFRP板加固混凝土梁裂缝宽度和挠度的计算方法。
研究了将桩身杆单元与以非线性位移-反力表示的桩土单元叠加构成复合单元(桩单元)的桩结构计算方法,利用桩土侧向压力-位移、摩擦力-位移曲线,将地基滑移和沉降视为初始位移,编制了考虑地基位移、沉降引起的码头高桩排架负摩擦力、内力和变形的有限元计算程序。通过对某多级围堤接岸结构的高桩码头排架的数值分析,得出在筑堤引起的负摩擦力和土体水平滑动作用下,上部结构没有产生过大作用力,但桩基承受了很大的轴向压力和较大的弯矩,需采取一些减小负摩擦力的措施。
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