RC结构基于pushover的地震倒塌易损性分析及抗倒塌设计方法研究

Collapse fragility analysis plays an important role in evaluating structural seismic collapse resistant capacity and developing seismic collapse resistance design method of structures. Recently, a common analysis method based on incremental dynamic analysis (IDA) for determining the seismic collapse fragility of structures is introduced by researchers. There is no doubt that this is a useful method for accurate estimation of structural seismic collapse. However, it is impossible to directly introduce IDA-based method into collapse resistance design of actual buildings because this method is very complex，time consuming and strong dependence on the selection of appropriate ground motions. To practical purpose, a new technique based on pushover analysis is proposed for seismic collapse fragility assessment and collapse resistance design of RC structures in this study. The seismic collapse failure mechanism of RC structures (or members) and the collapse performance indicator considering the influence of performance degradation in the stiffness and strength of structural members, second order effects and size effects are investigated based on the experimental results and theoretical analysis. According to statistical relationship and probabilistic model between elastic-plastic dynamic time-history analysis results and pushover analysis results, collapse fragility assessment method of single degree of freedom (SDOF) system based on pushover analysis is proposed. Based on the pushover-based analysis method of SDOF system proposed in this study, the collapse fragility assessment method of multi-degree-of-freedom (MDOF) structures based on pushover analysis is presented by considering the influence of loading pattern and structural uncertainties. Seismic design method based on different collapse probability targets is proposed, which provides a theoretical basis for establishing a practical seismic collapse resistance design method.

结构倒塌易损性分析是定量评估结构抗地震倒塌能力和建立结构抗倒塌设计方法的关键，基于增量动力分析（IDA）的倒塌易损性分析方法是目前常用的方法，但该方法分析复杂、计算量大且对地震动输入依赖性强，工程实用性差。由于pushover方法简单实用，并已为国内外规范采用，本项目开展基于pushover的地震倒塌易损性分析方法研究，主要内容包括：研究RC结构（构件）的地震倒塌破坏机理，建立考虑构件性能(刚度、强度等)退化、二阶效应、尺寸效应及破坏方式等影响的结构倒塌性能指标；研究弹塑性动力时程分析结果与pushover分析结果的统计关系，建立基于pushover的SDOF体系倒塌易损性分析方法；考虑加载模式及结构不确定性的影响，建立基于pushover的RC结构倒塌易损性分析方法；研究基于不同倒塌率目标的抗震设计方法。本项目成果可为建立以倒塌风险为目标的抗震设计方法提供理论依据和实用的分析工具。

已有的易损性分析方法大多具有计算量大或准确性差等不足，本项目针对钢筋混凝土结构，研究了不同Pushover分析方法的区别和相应计算结果的差异，通过对比单自由度结构的Pushover分析结果和动力时程分析结果，研究了两者之间的统计关系；采用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法分析了结构参数不确定性对Pushover分析结果的影响，研究了相应的概率分布，建立了Pushover分析结果的统计分布规律；通过建立Pushover分析结果与动力时程分析结果的概率分布模型，并考虑结构参数不确定性，提出了基于Pushover的单自由度结构简化倒塌易损性分析方法，该方法具有简单易用的特点，可以避免传统基于IDA的倒塌易损性分析方法所需的高昂计算成本；结合基于位移的抗震设计思想，研究了钢筋混凝土结构的性能化抗震设计方法。研究表明，在Pushover分析中，等效阻尼比是影响最终计算结果准确性的关键因素，因此，本项目考虑具有不同滞回耗能特征的钢筋混凝土构件和结构，开展了较为广泛的等效阻尼比相关研究：进行了钢筋混凝土柱的低周往复加载试验，利用已有试验结果和从美国太平洋地震研究中心PEER数据库收集的试验结果，提出了弯曲破坏型柱和弯剪破坏型柱的等效阻尼比模型，分析表明传统确定等效阻尼比的等能量方法通常会存在一定误差，为此，上述模型均使用动力时程分析结果进行校正，以保证其计算准确性；考虑到已有等效阻尼比模型均基于单自由度结构或构件发展而来，而实际结构大部分为多自由度，基于单自由度结构的等效阻尼比难以合理的反应实际多自由结构的整体滞回特征，为此，以多自由钢筋混凝土框架结构为研究对象，提出了适用的整体等效阻尼比模型，该模型可保证Pushover分析结果与动力时程分析的平均位移一致，进一步对Pushover分析位移与动力时程分析位移的比值进行统计分析，并建立了相应概率模型，利用上述研究可实现基于Pushover方法的多自由钢筋混凝土框架结构简化性能评估。