考虑竖向地震作用时RC框架结构倒塌机制及抗倒塌能力评估方法研究

The vertical seismic excitation has significant influence on structural collapse failure mode and collapse resistant capacity of RC frame. The frame columns may collapse due to shear failure in tension state or flexural failure in pressured state under vertical seismic excitation. The longitudinal reinforcement buckling, concrete crushing and slip between reinforcement and concrete may appear in the plastic-hinge regions when the structure is near collapse. The simple beam-column element that adopted in existing research have many defectiveness in analyzing these complicated mechanical behaviors. Meanwhile, the collapse resistant capacity assessment methods in existing research need to select ground motion records and do lots of nonlinear time history analysis, it is too difficult for common structural designer. The project will investigate the influences of vertical seismic excitation on structural collapse mechanism and collapse resistant capacity will be studied based on multi-scale finite element modeling method. The collapse resistant capacity spectrum considering vertical seismic excitation will be established. The simplified collapse resistant capacity assessment method based on collapse resistant capacity spectrum will be developed for high-rise RC frame structures(the influence of high order vibration model can not be neglected). The collapse shaking table test of RC frame structure under horizontal and vertical seismic excitation will be carried out to investigate the collapse mechanism and validate the proposed collapse resistant capacity assessment method. The detailed information of test will be shared to compensate for the lack of collapse test data.

竖向地震会对RC框架结构倒塌失效模式和抗倒塌能力产生显著影响，竖向地震下框架柱可能处于受拉状态发生剪切破坏，也可能处于受压状态发生弯曲破坏，结构接近倒塌时塑性铰区会发生纵筋屈曲、混凝土压溃、钢筋与混凝土之间出现滑移等现象，现有研究中采用的简化梁柱单元模型分析这些复杂力学行为存在很多缺陷；另外目前考虑竖向地震的抗倒塌能力评估方法需进行地震动挑选和非线性时程分析，不易被广大结构设计人员掌握。本项目采用多尺度有限元建模方法（保证有限元模型精度前提下兼顾计算效率），深入研究竖向地震作用对RC框架结构倒塌机制和抗倒塌能力的影响，建立考虑竖向地震作用的抗倒塌能力谱，针对中、高层RC框架结构（高阶振型影响不可忽略），基于抗倒塌能力谱，建立抗倒塌能力评估的简化方法。并进行水平和竖向地震作用下的振动台倒塌试验来研究结构倒塌机理、验证所提出的抗倒塌能力评估方法，共享试验数据以弥补倒塌试验资料严重缺乏的现状。

地震引起的土木工程结构倒塌会造成大量人员伤亡和经济损失。结构抗倒塌能力的准确评估是基于性态的地震工程中一个重要环节，只有预测出结构在地震作用下的抗倒塌能力，才能进一步计算出地震中土木工程结构倒塌引起的人员伤亡和经济损失。准确评估结构的抗倒塌能力对保障结构的地震安全、减轻地震灾害具有十分重要的意义。结构在倒塌接近倒塌时具有高度非线性的特性，塑性铰区会发生纵筋屈曲、混凝土压溃、钢筋与混凝土之间出现滑移等现象。本项目首先研究了地震作用下RC框架结构的倒塌机制、抗倒塌能力及其影响因素。其次建立了抗倒塌能力谱，并分析了影响结构抗倒塌能力的各种因素。基于抗倒塌能力谱，提出一种简化的结构抗倒塌评估方法，可以考虑高阶振型和竖向地震作用的影响。完成了水平和竖向地震作用下的振动台试验来研究结构倒塌机理，验证所提出的抗倒塌能力评估方法。