RC框架结构多层次地震损伤演化规律理论及试验研究

This project aims to serve the major strategic demand for national earthquake prevention and disaster reduction, heighten the theoretical research level for seismic failure of building structures in our country, and promote the rational engineering application for the performance-based seismic design theory. According to the structural seismic damage evolution characteristics of multi-level, progressive development and interaction, the research is analyzed from five levels of material, section, member, storey, and structure level. It focus on three key scientific problems of the multilevel seismic damage evolution course, the comprehensive effect on seismic damage from deformation, energy dissipation and stiffness, and the interactional effect of multilevel seismic damage performance. The research includes the following four aspects: the multilevel consistent damage performance level, the multilevel generalized seismic damage model, the relationship between multilevel critical failure states, and the distribution laws of multilevel seismic damage. It will reveal the inherent evolution laws of seismic damage and establish the theoretical basis of seismic damage consistent calculation and evaluation for RC frame structures. This project will provide scientific basis for the further refinement of seismic performance objectives, the reasonable determination and application of performance-based design indexes, and the multilevel seismic performance evaluation for RC frame structures. It has important scientific significance and application value.

本项目以服务国家防震减灾重大战略需求，提升我国建筑结构地震破坏的理论研究水平，促进抗震性能化设计理论的合理化工程应用为宗旨。针对建筑结构地震损伤演化具有多层次、逐步发展、相互影响的特点，从"材料、截面、构件、楼层、结构"五个层次出发，围绕RC框架结构多层次地震损伤演化过程、"变形、耗能、刚度"对地震损伤的综合影响作用、多层次地震损伤性能的相互影响作用三个关键科学问题，开展多层次一致损伤性能水准体系、多层次广义地震损伤模型、多层次地震损伤临界破坏状态相关性与多层次地震损伤分布规律四个方面的研究，揭示RC框架结构地震损伤的内在演化规律，建立RC框架结构多层次地震损伤一致计算与评价的理论基础。本项目为RC框架结构抗震性能目标的进一步细化、性能设计指标的合理确定及应用，以及结构多层次地震损伤性能的评估提供科学依据，具有重要的科学意义和应用价值。

为揭示地震作用下钢筋混凝土框架结构内部损伤多层次演化规律，本项目开展了多层次一致损伤性能水准体系、多层次地震损伤评估模型和多层次损伤分析三个方面的研究工作。首先，从“材料、截面、构件、楼层、结构”五个层次分析了各层次损伤临界状态与失效判别准则，建立了多层次一致损伤性能水准。同时，利用声发射仪器，通过试验监测了钢筋混凝土基本构件的微-宏观损伤演化机理，分析了力学性能与声发射信号特征之间的关系，统计计算了各个性能点的概率损伤值，建立了基于声发射参数的损伤评估模型。其次，提出了变形等价原理，以广义等效损伤刚度作为内变量，利用归一化参数协调各层次广义损伤与性能水准的对应关系，建立了多层次地震损伤模型，能够一致反映各层次损伤演化的全过程。开发了梁-壳单元、梁-实体单元、壳-实体单元之间的界面耦合程序，提出了结构有限单元耦合分析模型，提高了局部精细化损伤数值分析的精度与效率。最后，结合能量守恒原理与多层次地震损伤模型，提出了各层次损伤演化之间的相关性影响因子，计算结果反映了不同层次损伤演化之间的相互影响程度。综上，本项目提出了钢筋混凝土框架结构的多层次损伤分析方法，能够反映结构损伤始于材料层次止于结构层次的破坏全过程，为精细化性能设计方法及其工程应用提供了一种新的损伤分析方法和相关理论依据。