基于延性破坏准则的钢筋混凝土框架结构抗地震倒塌性能研究

进行结构抗地震倒塌研究，首要问题在于选择怎样的物理量以正确表征地震引起的结构破坏，这就是抗震结构破坏准则所要解决的问题。已有的破坏准则(如Park-Ang准则)并未考虑荷载作用路径对累积损伤的影响，且未能与工程中常用的位移延性指标链接，不利于实际工程推广应用。目前我国混凝土结构抗倒塌设计研究开展得极不充分，开展基于延性破坏准则的框架结构抗地震倒塌能力研究，了解框架各构件损伤与结构系统失效二者间的相互关系，以确保结构在强震作用下的安全是一个亟待解决的问题。本研究通过6根高轴压比下框架柱的低周疲劳试验，对笔者提出的等效延性破坏准则进行修正，基于延性破坏准则发展框架柱动力分析的损伤模型，应用OPENSEES对框架结构进行非线性动力时程计算，结合三榀五跨三层平面框架拟动力试验结果，确立框架结构地震倒塌分析双性能参数(位移角和倒塌储备系数)量化指标，结合抗震结构概念设计提出框架结构抗地震倒塌设计方法

建筑结构抗地震倒塌性能研究对减少人员伤亡和实现“大震不倒”抗震设防目标具有重要意义，受倒塌破坏的复杂性和相关研究的滞后性影响，现有倒塌研究本质上为抗震设计方法的延伸，缺乏对倒塌破坏特性的深入思考，相关研究开展很不充分。本课题对混凝土框架结构的倒塌破坏特性、分析模型、损伤机理、破坏准则、试验研究、数值模拟等进行了研究，主要完成了以下内容：根据震害调查资料和框架试验现象，分析了倒塌破坏特性，定义倒塌临界状态为地震作用下发生不同程度损伤后不完整结构的极限性能，综合考虑倒塌破坏具有显著的地震动输入随机性、结构抵御地震作用系统性和建筑物地震响应不确定性三方面特点，建议选取倒塌区间代替单一倒塌临界值。根据同一层内受损构件的位置、破坏程度、数量等指标，将引起层倒塌的、破坏程度相近的同类型构件组合定义为倒塌关键区域，建立了域倒塌破坏分析模型。域失效是倒塌破坏发生的根本原因，真实反映了结构整体性能的退化特性，适用于不同类型的倒塌研究。通过分析框架结构的倒塌破坏机制和内力重分布特性，在域模型研究基础上选取柱塑性铰发育为倒塌分析变量，根据塑性铰发育程度、出现塑性铰的位置和柱端塑性铰的数量等参数定义了塑性铰密度倒塌破坏准则。该破坏准则考虑了柱损伤与结构整体性能退化之间的相互关系，从构件破坏、子结构损伤和结构倒塌破坏三个层次对倒塌进行了论证和说明。薄弱层内所有柱铰充分发育后，结构的内力重分布能力丧失，子结构转化为可变机构，标志着倒塌的开始，域模型和塑性铰密度破坏准则准确的定义了倒塌临界状态、解释了倒塌破坏机理、实现了倒塌量化分析。在理论研究基础上完成了对已有试验的数值模拟分析，验证了本文建议方法的正确性。设计了一榀两层双跨平面混凝土框架，进行了拟静力加载试验，分析了结构倒塌破坏机理、破坏过程，进一步验证了本文设计方法的正确性。研究表明框架柱的塑性变形集中引起了结构倒塌，柱端塑性变形是倒塌破坏研究的关键内容，为此对框架柱的损伤和塑性变形程度的量化进行了研究：考虑滞回耗能与构件损伤的相互关系提出了有效耗能理论，建立了考虑延性和有效耗能比例的改进双参数破坏准则；研究了柱的截面破坏特性，在理论分析基础上通过数据回归得出了框架柱的极限曲率计算公式，建立了塑性铰发育量化方法。研究成果实现了结构倒塌的量化分析，填补了相关研究的空白，具有重要的理论意义和工程应用价值。