钢筋混凝土结构地震残余变形及考虑可修复性的抗震设计方法研究

The seismic design of structures with the restorability is an important aspect in performance-based seismic design theory. At present, studies concerned with the post-earthquake structural performance control and restorability are still deficient, and specific evaluation criteria about the “restorability” of structures are lack in current seismic design code. Taking the residual deformation as an indicator for the seismic performance and restorability of structures after earthquakes, the post-earthquake residual deformation and seismic design methods including restorability of reinforced concrete structures are studied considering the uncertainties of ground motion and structures. The influences of peak ground acceleration (PGA), earthquake duration time, site type, hysteretic characteristics, relative yield force coefficient (defined as the ratio of yield force to the gravity of structures), system stiffness ratio, natural period and other parameters on seismic residual deformation of structures are investigated, and the correlation between residual deformation and maximum elasticoplastic deformation as well as other key parameters are particularly focused on. The analytical models of post-earthquake residual deformation for single degree of freedom (SDOF) and multi-degree of freedom (MDOF) systems are established. The restorability assessment method with post-earthquake residual deformation as a damage index is proposed. Seismic design method incorporating the collapse prevention and restorability of reinforced concrete structures is established. The results can provide a theoretical basis for the amendment and improvement of the current seismic design method in China.

震后可修复性能是基于性能的结构抗震设计方法的重要内容，但目前涉及震后结构性能及可修复性的研究偏少，特别是我国现行抗震设计规范中还缺乏“可修复性”的具体评价标准。本项目以地震残余变形作为结构震后性能和可修复能力的重要指标，拟在考虑地震动和结构模型不确定性的基础上，开展钢筋混凝土结构地震残余变形及考虑可修复性的抗震设计方法研究。主要内容包括：研究峰值地面加速度（PGA）、地震持时、场地类型、滞回特性、相对屈服力系数（定义为结构屈服力与重力之比）、体系刚度比及自振周期等参数对结构地震残余变形的影响，并分析结构地震残余变形与最大弹塑性变形及其他关键参数之间的相关性；建立单自由度（SDOF）及多自由度（MDOF）结构体系的地震残余变形计算模型；建立以地震残余变形为性能指标的结构可修复性评估方法；研究同时考虑抗倒塌和震后可修复性的结构抗震设计方法。研究成果可为完善我国现行抗震设计方法提供理论依据。

残余位移是结构震后可修复性的重要性能指标，然而，目前针对震后残余位移计算及可修复性评估的研究仍不够系统、深入。研究了阻尼模型的选取对结构峰值弹塑性位移及震后残余位移预测的重要性；基于切线刚度正比阻尼假定的统计结果，分析了影响残余位移的因素。采用最大可能的残余位移、弹性谱位移及峰值弹塑性位移分别对结构震后残余位移进行标准化，研究了地面运动特性（场地条件、震级、断层距及持时）及结构参数（自振周期、屈服后刚度比、强度折减系数、滞回规则及初始阻尼比）对不同定义的残余位移比的影响规律，分析了各个标准化方法的优缺点及适用性，建立了基于不同标准化方法的等强度残余位移比反应谱，提出了“等残余位移原则”。研究了不同余震强度调幅指标的合理性及有效性，分析了余震对结构震后残余位移的影响，建立了主余震序列下SDOF结构的等延性残余位移谱。对基于Takeda恢复力模型的等效阻尼比进行了修正，使拟静力分析的结果与非线性动力时程分析的结果在统计意义上相一致，建立了基于能力谱法的SDOF结构震后残余位移概率计算模型。建立了钢筋混凝土框架结构的Pushover分析结果与残余位移的统计关系，提出了基于能力谱法的钢筋混凝土结构震后残余位移概率计算方法。研究结果表明，阻尼模型的选取对结构峰值弹塑性位移及震后残余位移的影响显著，且取决于自振周期、强度折减系数、滞回规则、屈服后刚度及初始阻尼比；采用质量正比阻尼模型将会不同程度地低估结构的峰值弹塑性位移及震后残余位移。峰值弹塑性位移与残余位移之间具有很强的线性相关性，以峰值弹塑性位移标准化得到的残余位移比几乎不受局部场地条件、显著持时及自振周期的影响，且其样本具有离散型小、无极端值及分布对称等优势，以峰值弹塑性位移作为残余位移的标准化参数更适合平均残余位移谱的建立。提出的基于拟静力法的残余位移概率计算模型强调结构的可修复性应以抗倒塌性能满足要求为前提，能够与当前基于性能的抗震设计及评估方法很好地结合。