钢筋混凝土框架结构地震失效机理与抗倒塌能力评估

钢筋混凝土（RC）框架结构房屋占我国建筑总量的30%以上。汶川地震中，通常认为其抗震设计问题已经解决且具有较强抗震能力的RC框架结构，却突出地表现出"强梁弱柱"式破坏、薄弱层破坏、扭转破坏和短柱式破坏乃至整体倒塌等一系列超出设计初衷的灾难性破坏形式，导致大量人员伤亡和财产损失。本项目拟通过深入剖析汶川地震震害资料，以分析典型震害实例为基础和依据，理论分析、数值模拟和试验研究相结合，以结构强震反应观测数据和破坏性原位动力试验数据作为验证标准，科学解释汶川地震RC框架结构不同类型典型失效破坏模式发生的根本原因，定量研究其关键影响因素；同时，对比剖析极震区相同地点超罕遇地震作用下未倒塌RC框架结构得以保存的原因，提出可实质性改善该类结构体系抗震性能的解决方案，建立RC框架结构抗倒塌能力评估方法。这将直接有助于我国城乡早日实现能够抗御六级左右地震能力的宏伟目标，具有不可估量的经济效益和社会效益。

填充墙RC框架结构广泛应用于建筑结构中,历次震害中该结构形式突出地表现出一系列灾难性破坏形式。本项目以典型震害实例为基础，理论分析、数值模拟和试验研究相结合，发展建立了考虑楼板及填充墙影响的RC 框架结构强非线性动力反应计算方法，系统研究了填充墙 RC 框架结构典型失效破坏机理及影响因素，并提出实用可行的框架结构大震抗倒塌设计原则和建议，主要研究内容包括：(1)本项目总结分析了玉树和汶川地震中钢筋混凝土框架结构的典型震害特点，并收集了大量关于框架结构破坏的震害数据和动力特性测试数据，为结构的抗震设计及非线性有限元分析提供判断依据；(2)对填充墙RC框架结构强非线性有限元算法进行研究，尤其对填充墙计算方法进行了分析总结，并通过实例验证实现考虑填充墙效应及楼板类型的RC框架结构抗震评估方法的可行性；(3) 本项目进行了4个1/2缩尺的考虑楼板墙影响的RC填充墙框架结构伪静力试验研究和非线性有限元分析,研究结果表明，填充墙对框架结构破坏模式产生了复杂的影响，忽视填充墙效应及楼板的影响易导致“强梁弱柱”式破坏机制以及填充墙相关联失效破坏机制；(4) 以伪静力试验结果为依据，通过非线性有限元数值模拟，对填充墙材料、连接方式、高度及壁墙宽度对“短柱“破坏机理的影响进行了定量研究，并提出有效的设计控制措施；(5) 通过对某五层填充墙框架结构的非线性地震反应分析，研究了填充墙沿结构竖向分布不均对结构产生薄弱层的贡献，提出避免“薄弱层”破坏合理的结构层间刚度比限值要求，并分析了不同材料填充墙对结构的影响规律；(6) 通过无楼板、带楼板、考虑不同翼缘宽度楼板等七种三维框架结构模型的非线性有限元分析，研究了现浇楼板及其板内配筋对钢筋混凝土框架结构“强梁弱柱”式破坏模式的影响规律，楼板的贡献不容忽视；(7)提出了可有效的实现框架结构“强柱弱梁”抗震机制的方法，通过两个四层1/4缩尺RC框架结构模型振动台对比试验，验证了楼板四角开洞对“强柱弱梁”破坏模式的良好控制效果,为框架结构大震抗倒塌提出了实用设计方法。