框架结构地震损伤演化机理与抗倒塌设计方法研究

Selecting collapse analysis model and earthquake collapse criterion are the key to quantitative collapse risk seismic design of buildings．However, the exsiting collapse criterion for buildings is either interstory drift angle based on the achivement of component level or weighted damage index of members. Especially, the collapse check is merely carried on critical structures in our current seisimic design code, and the elastic plastic interstory drifts are empirically used as tool to determine collapse state of buildings. Aiming at these problems, frame structures are selected as research objects, the material damage - component failure - structural collapses is selected as the leading clue. By experimental investigation on collapse behavior of scaled frame structures and refined explicit finite element analysis, the inherent law of material damage and component failure as well as structural collapse will be intensively analyzed. The collapse mechanism will be put forward and the method of determining the collapse point which indicated by the loss of vertical bearing capactiy or by the loss of structural stability of bulidings will also be presented. After improving the earthquake collapse criterion of overall frame structures, the collapse analysis model of equivalent single-degree-of-freedom system for frame structure will be established based on cyclic pushover analysis results. Furthermore, the seismic collapse fragility prediction method of the equivalent SDOF for frame structures is presented, and the uniform-risk-targeted seismic design method will be put forward finally. The study has a great theoretical significance and practical value on realizing the target that buildings will not collapse under rare earthquakes attacting by structural calculation.

建立结构可量化倒塌风险的抗震设计方法，首要问题在于选择合理的倒塌判别准则和结构分析模型。已有的结构地震倒塌判定仍是基于构件层次得到的层间位移角或通过构件破坏指数的加权综合，尤其是我国抗震规范仅对重要结构进行倒塌验算,以规定的弹塑形层间位移角限值作为结构倒塌状态。针对上述问题，本课题选取应用广泛的框架结构为研究对象，以材料损伤-构件破坏-结构倒塌为主线，通过框架模型试验和框架结构地震倒塌精细化显式有限元分析，重点研究材料损伤、构件破坏直至整体倒塌的演变规律，揭示结构地震倒塌破坏机理，提出以结构丧失竖向承载力或稳定性为特征的倒塌临界点确定方法，完善结构倒塌判别准则；并通过框架结构循环推覆分析，建立结构等效SDOF体系倒塌分析模型，提出基于等效SDOF体系倒塌易损性预测方法，在此基础上建立基于一致倒塌风险的抗震设计方法。本研究对直接通过计算设计实现结构大震不倒性能目标具有重要科学意义和实用价值。

建筑结构的地震倒塌失效机制从根本上影响着其塑性变形能力及抗倒塌性能，我国抗震设计规范通过增大“柱端设计弯矩”引导结构塑性变形及损伤破坏集中出现于梁端，以规定的弹塑性层间位移角限值作为结构倒塌状态的判别指标，但该参数本质上依然沿用构件设计的思想，缺乏对结构倒塌破坏系统特性的深入思考，相关理论分析、试验数据及震害验证仍不充分。本课题以应用广泛的钢筋混凝土框架结构为研究对象，基于局部梁柱组合件子结构的力学模型，分析了结构层间总侧移中各种非线性局部变形的组成成分以及两者之间的转换关系，从梁、柱构件变形的角度，推导了有效实现“梁铰”破坏模式的控制方程，提出了不同抗震等级下的“梁柱线刚度比”建议限值；制作三榀1:3缩尺比的钢筋混凝土平面框架试验试件，通过低周反复荷载试验，分析了结构达到最终倒塌失效状态时的层间位移角极限值，根据试验试件的破坏现象及破坏模式，验证了理论分析结果的正确性；利用损伤指数加权组合模型，对构件、楼层及结构三个层面的损伤分布情况及发展规律进行了研究，揭示了结构地震倒塌破坏的演化规律，在此基础上，对不同性能水平下的框架结构倒塌失效概率进行了易损性评估。研究结果表明，将结构“梁柱线刚度比”控制在合理范围之内，有利于促使“梁铰”破坏模式的形成；对于地震作用下形成“梁铰”破坏模式的结构，其临近倒塌失效时的弹塑性层间位移角甚至可达1/25，远超规范规定限值；结构最终倒塌时的损伤破坏多集中于首层，框架柱端的塑性变形集中是引起结构倒塌失效的主要原因。综合上述研究成果，本研究为进一步了解钢筋混凝土结构地震倒塌特性、真正实现“大震不倒”设防目标的抗倒塌设计方法提供了试验数据和理论依据。本项目实施期间共发表学术论文33篇，其中SCI论文10篇，EI论文7篇，核心期刊论文16篇；申请发明专利2项，授权实用新型专利1项；共获得省部级奖励两项，厅局级奖励三项；项目培养博士研究生6人，已毕业人数2人，在读人数4人；培养硕士研究生15人，已毕业人数10人，在读人数5人。取得的研究成果均与本基金项目直接、密切相关。