建筑結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制的控制

建筑結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制的控制

0結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，建筑物結(jié)構(gòu)面臨強(qiáng)震的可能性非常小?；诮?jīng)濟(jì)方面考慮,強(qiáng)烈地震作用下允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的損傷。GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新《抗規(guī)》)在條文說(shuō)明中指出:“在抗震設(shè)計(jì)中有意識(shí)、有目的地控制薄弱層(部位),使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移,這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段?！币虼?采用合理的方法和措施有效控制強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的損傷部位,并將損傷程度控制在可接受范圍內(nèi),便可在結(jié)構(gòu)造價(jià)與抗震安全之間取得較好的均衡。建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的損傷機(jī)制控制主要包括“損傷部位控制”和“損傷程度控制”兩個(gè)方面,而損傷形式則基本以延性耗能損傷為主。在與地震災(zāi)害的長(zhǎng)期斗爭(zhēng)和實(shí)踐中,人們?cè)絹?lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制控制的重要性,這體現(xiàn)在近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)抗震結(jié)構(gòu)體系的演化中。20世紀(jì)50年代前后出現(xiàn)的延性框架結(jié)構(gòu),首次在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中考慮了一定程度的損傷對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能的積極作用,而在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中使用剪力墻或支撐的做法則使抗震結(jié)構(gòu)體系的損傷機(jī)制更加明確。Paulay等提出的“能力設(shè)計(jì)法”強(qiáng)調(diào)了損傷機(jī)制控制在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要性。隨著結(jié)構(gòu)體系中預(yù)期損傷部位(構(gòu)件)與主體結(jié)構(gòu)功能的逐漸分化,近年來(lái)出現(xiàn)了各種專(zhuān)門(mén)用于耗散地震能量的消能減震裝置,并由此發(fā)展出各種消能減震結(jié)構(gòu)體系。在隔震結(jié)構(gòu)中利用隔震支座減小上部結(jié)構(gòu)地震作用的做法,也是通過(guò)在結(jié)構(gòu)體系中實(shí)現(xiàn)接近單自由度體系振動(dòng)的簡(jiǎn)潔明了的變形模式,將結(jié)構(gòu)損傷和耗能集中在隔震層,從而更加有效地保證上部結(jié)構(gòu)的安全。由此可見(jiàn),抗震結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展使得損傷機(jī)制越來(lái)越明確、且越來(lái)越易于控制。以最為常見(jiàn)的鋼筋混凝土延性框架結(jié)構(gòu)為例,為了有效控制其損傷機(jī)制,圖1的“體系設(shè)計(jì)”、“需求分析”和“構(gòu)件設(shè)計(jì)”三個(gè)層次的內(nèi)容是不可缺少的。其中:(1)“體系設(shè)計(jì)”主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特點(diǎn),確定合理的預(yù)期損傷部位。目前這方面尚未建立相應(yīng)的科學(xué)理論。然而,根據(jù)大量的震害調(diào)查和相關(guān)研究,對(duì)于常見(jiàn)結(jié)構(gòu)體系的損傷部位,結(jié)構(gòu)工程師和研究人員已取得一些共識(shí)。如圖1a所示的“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制中的預(yù)期損傷部位,通常被認(rèn)為是延性框架結(jié)構(gòu)的合理?yè)p傷部位。此外,在聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)中使連梁率先屈服耗能,在支撐框架結(jié)構(gòu)中的支撐屈服耗能等,都是根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和震害經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的合理?yè)p傷部位。與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系相比,各類(lèi)消能減震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷部位更加明確。(2)“需求分析”是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容,其任務(wù)是定量地確定預(yù)期強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的抗震能力需求,包括承載力需求(如受彎與受剪承載力需求Md、Vd)和塑性變形能力需求(如延性需求μd)等(如圖1b所示)。(3)“構(gòu)件設(shè)計(jì)”是在需求分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)有效的抗震措施保證構(gòu)件的抗震能力(如承載力Mc、Vc和變形能力μc等)大于其抗震需求。試驗(yàn)研究是確定不同類(lèi)型構(gòu)件抗震能力的最主要方法。1結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制控制目標(biāo)的需求分析方法有很多,如非損傷部位的承載力增大系數(shù)法、考慮損傷機(jī)制的彈塑性分析方法(包括靜力和動(dòng)力彈塑性分析方法)和等效線性化法等。非損傷部位的承載力增大系數(shù)法是目前工程設(shè)計(jì)中常用的方法,該方法基于結(jié)構(gòu)彈性分析得到設(shè)計(jì)內(nèi)力,對(duì)強(qiáng)震作用下預(yù)期非損傷部位乘以承載力增大系數(shù),如新《抗規(guī)》中框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增大系數(shù)ηc。由于非損傷部位的承載力增大系數(shù)主要來(lái)自典型結(jié)構(gòu)算例的分析結(jié)果,且各種因素影響考慮有限,具有一定的經(jīng)驗(yàn)性,因此其合理性和有效性存在不足?？紤]損傷機(jī)制的彈塑性分析方法,是通過(guò)分別對(duì)預(yù)期損傷部位(或構(gòu)件)采用彈塑性模型和對(duì)非預(yù)期損傷部位采用彈性模型,進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的彈塑性分析,獲得強(qiáng)震作用下預(yù)期損傷部位的承載力需求和塑性變形需求、以及非預(yù)期損傷部位的承載力需求(變形能力通過(guò)構(gòu)造保證)。從可操作性上來(lái)說(shuō),靜力彈塑性分析方法較為可行,但該方法僅適用于以第一振型控制為主的結(jié)構(gòu);而動(dòng)力彈塑性方法的困難主要在于地震動(dòng)記錄的選取。等效線性化法基于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,采用振型組合方法確定結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的地震響應(yīng),包括預(yù)期損傷部位和非預(yù)期損傷部位的承載力需求,以及預(yù)期損傷部位的變形能力需求,并可同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的非線性響應(yīng),是一種實(shí)用的簡(jiǎn)化分析方法,該方法也是新《抗規(guī)》推薦的,但新《抗規(guī)》并未給出具體實(shí)施方法。本文以鋼筋混凝土框架為例,介紹基于等效線性化法的建筑結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制控制的抗震設(shè)計(jì)方法。2等效線性化法等效線性化法是新《抗規(guī)》推薦采用的結(jié)構(gòu)抗震分析和性能化設(shè)計(jì)方法之一。如圖2所示,該方法通過(guò)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制和預(yù)期損傷部位的損傷程度,建立結(jié)構(gòu)的等效線性化分析模型。圖2中ζ0和K0分別為整體結(jié)構(gòu)的初始阻尼比和各單元的初始剛度,ζe和Ke分別為將強(qiáng)震作用下進(jìn)入彈塑性階段的結(jié)構(gòu)等效為線彈性結(jié)構(gòu)的等價(jià)阻尼比和各單元的等價(jià)剛度。預(yù)期損傷構(gòu)件在地震作用下可能屈服,并伴隨剛度降低,在地震往復(fù)作用下具有一定的彈塑性滯回耗能能力。在等效線性化結(jié)構(gòu)分析模型中,預(yù)期損傷構(gòu)件可用具有等價(jià)剛度的線彈性構(gòu)件替代,并通過(guò)增大整體結(jié)構(gòu)的等價(jià)阻尼比來(lái)考慮損傷部位的滯回耗能對(duì)結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)的影響。等效線性化結(jié)構(gòu)模型為線彈性結(jié)構(gòu)模型,故可采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算其地震峰值響應(yīng)。為使假設(shè)的損傷機(jī)制和損傷程度與計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相一致,往往需要進(jìn)行少量的迭代。本文采用如圖3所示的流程進(jìn)行等效線性化法計(jì)算。文獻(xiàn)詳細(xì)地介紹了該流程各個(gè)細(xì)節(jié),并通過(guò)算例分析檢驗(yàn)了等效線性化法在計(jì)算結(jié)構(gòu)非線性地震峰值響應(yīng)方面的有效性。與動(dòng)力彈塑性分析方法相比,等效線性化法直接利用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),并可得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力需求和變形能力需求,計(jì)算效率高,且可避免因選用不同的地震動(dòng)記錄而引起的動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果差異較大的問(wèn)題。與靜力彈塑性分析方法相比,因具有振型分解反應(yīng)譜法的優(yōu)點(diǎn),等效線性化法可以方便地應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu),且可考慮更多振型的參與,也適用于不規(guī)則結(jié)構(gòu),具有更強(qiáng)的適用性,避免了靜力彈塑性分析方法的一些局限性,如結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)需以第一振型為主、受不同側(cè)力模式影響較大、難以用于高階振型參與程度較大或振型耦合較大的空間不規(guī)則結(jié)構(gòu)等。3結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制根據(jù)建筑場(chǎng)地遭遇地震的發(fā)生概率,地震強(qiáng)度分為多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震。在不同強(qiáng)度地震作用下,一般建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)可直觀地表示為圖4所示的抗震性能曲線(粗實(shí)線)。隨著地震強(qiáng)度的增大,結(jié)構(gòu)的基底剪力和頂點(diǎn)位移也隨之增大。在超過(guò)彈性界限后,結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)損傷,其地震響應(yīng)開(kāi)始表現(xiàn)出非線性特征。基于損傷機(jī)制控制的抗震設(shè)計(jì)需首先明確預(yù)期損傷部位,并根據(jù)強(qiáng)震作用下這些部位的損傷程度確定等效線性化結(jié)構(gòu)模型的參數(shù),進(jìn)而確定各構(gòu)件在強(qiáng)震作用下的承載力需求和塑性變形能力需求。為使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下實(shí)現(xiàn)預(yù)期損傷機(jī)制,本文建議按以下3個(gè)步驟對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)(參見(jiàn)圖4)。3.1多遇地震作用下承載力設(shè)計(jì)方法根據(jù)新《抗規(guī)》要求,結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下,應(yīng)基本處于彈性范圍,不應(yīng)發(fā)生損傷。由于非預(yù)期損傷部位的承載力需求將在后面罕遇地震作用下的承載力設(shè)計(jì)中確定,因此在多遇地震作用下的承載力設(shè)計(jì)階段,只需根據(jù)新《抗規(guī)》確定預(yù)期損傷部位的承載力需求并進(jìn)行設(shè)計(jì),即將多遇地震作用效應(yīng)與重力荷載效應(yīng)分別乘以相應(yīng)的作用和荷載分項(xiàng)系數(shù)后得到的基本組合效應(yīng)作為設(shè)計(jì)內(nèi)力,并按材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)(考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù),但不考慮柱端彎矩增大系數(shù)等)。3.2考慮預(yù)期損傷部位的塑性變形能力需求確定了預(yù)期損傷部位的承載力之后,可采用等效線性化法計(jì)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的非線性地震響應(yīng)。對(duì)于預(yù)期損傷部位,通過(guò)折減剛度和增大阻尼比的等效線性化法考慮其損傷對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響;對(duì)于非預(yù)期損傷部位則假設(shè)其始終保持彈性(剛度不降低也不提供附加阻尼),即不發(fā)生損傷。由于材料性質(zhì)的離散性可能導(dǎo)致預(yù)期損傷部位承載力不足,在確定預(yù)期損傷部位塑性變形能力需求時(shí),建議對(duì)預(yù)期損傷部位采用式(1)所示的承載力下限值,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震性能曲線如圖4中的虛線所示。RL=0.95Rk(1)RL=0.95Rk(1)其中:RL為預(yù)期損傷部位的承載力下限值;Rk為按材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的構(gòu)件承載力;0.95為承載力降低系數(shù),該值低于鋼筋強(qiáng)度的廢品限值(即fym(1-2δ))與標(biāo)準(zhǔn)值(即fym(1-1.645δ))之比,其中fym為鋼筋強(qiáng)度平均值,δ為變異系數(shù),取0.10。在對(duì)預(yù)期損傷部位進(jìn)行塑性變形能力設(shè)計(jì)之前,應(yīng)首先檢查對(duì)應(yīng)于罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)(圖4中的○點(diǎn))的層間位移是否滿足新《抗規(guī)》要求。如滿足要求,則由等效線性化法計(jì)算得到的損傷部位的塑性變形即為其塑性變形能力需求,以此為依據(jù),可對(duì)預(yù)期損傷部位進(jìn)行塑性變形能力設(shè)計(jì),如鋼筋混凝土構(gòu)件的配箍設(shè)計(jì)等;如不滿足,則需增大構(gòu)件截面或增加配筋,直至滿足新《抗規(guī)》中罕遇地震作用下的層間位移要求。相比之下,對(duì)于一般建筑結(jié)構(gòu),新《抗規(guī)》僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用抗震構(gòu)造措施保證預(yù)期損傷部位具有一定的塑性變形能力,而沒(méi)有直接計(jì)算罕遇地震作用下預(yù)期損傷部位的塑性變形能力需求并據(jù)此確定相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。3.3非預(yù)期損傷部位非預(yù)期損傷部位是結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下維持其整體穩(wěn)定和抗倒塌的關(guān)鍵,也是確保實(shí)現(xiàn)預(yù)期損傷機(jī)制的關(guān)鍵,因此,在罕遇地震作用下非預(yù)期損傷部位應(yīng)基本保持彈性。與上一步相同,可以利用等效線性化法計(jì)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下非預(yù)期損傷部位的承載力需求。不同之處在于,預(yù)期損傷部位承載力的可能超強(qiáng)(如材料離散性的影響)會(huì)使非預(yù)期損傷部位的承載力需求增大。為此,建議在這一步的等效線性化法計(jì)算中,對(duì)預(yù)期損傷部位采用式(2)所示的承載力上限值,相應(yīng)的抗震性能曲線如圖4中的點(diǎn)劃線。RU=1.25Rk(2)RU=1.25Rk(2)其中:RU為預(yù)期損傷部位承載力上限值;1.25為超強(qiáng)系數(shù),該值略高于鋼筋強(qiáng)度平均值fym與標(biāo)準(zhǔn)值(即fym(1-1.645δ))之比。根據(jù)等效線性化法分析得到的罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)(圖4中的△點(diǎn))對(duì)應(yīng)的承載力,即可作為非預(yù)期損傷部位的承載力需求。在對(duì)非預(yù)期損傷部位進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)時(shí),考慮到罕遇地震發(fā)生的概率較小,本文建議采用地震作用效應(yīng)與重力荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合,并按材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì),如式(3)所示。SG+SEk≤Rk(3)SG+SEk≤Rk(3)其中:SG為重力荷載效應(yīng);SEk為地震作用效應(yīng);Rk為按材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的構(gòu)件承載力。值得注意的是,梁端預(yù)期損傷部位的承載力超強(qiáng)和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)塑性?xún)?nèi)力重分布造成的柱端彎矩增大,是新《抗規(guī)》為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”而引入的柱端彎矩增大系數(shù)ηc的兩個(gè)來(lái)源。等效線性化法的分析結(jié)果可以直接反映結(jié)構(gòu)在彈塑性響應(yīng)階段的塑性?xún)?nèi)力重分布,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮預(yù)期損傷部位的超強(qiáng),更具有一般性和合理性。3.4結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷作用下的結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律上述鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于損傷機(jī)制控制的抗震設(shè)計(jì)方法可用圖5所示的流程表示。該流程首先要求工程師對(duì)結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷機(jī)制有明確的把握。根據(jù)已有的實(shí)際震害與結(jié)構(gòu)彈塑性分析經(jīng)驗(yàn),所設(shè)定的預(yù)期損傷機(jī)制在強(qiáng)震作用下應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)的合理性。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)等效線性化法分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的受力狀態(tài),確定結(jié)構(gòu)中預(yù)期損傷部位和非預(yù)期損傷部位的承載力與塑性變形能力需求,以此作為構(gòu)件設(shè)計(jì)的定量依據(jù)。為了更好地說(shuō)明上述設(shè)計(jì)流程,以1個(gè)8層鋼筋混凝土延性框架結(jié)構(gòu)為例,采用上述設(shè)計(jì)流程,確定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”損傷機(jī)制所需的抗震承載力需求和塑性變形能力需求,并在此基礎(chǔ)上對(duì)梁、柱構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。4鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)4.1梁、柱截面尺寸算例為8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),位于8度抗震設(shè)防區(qū),地震分組為第一組,II類(lèi)場(chǎng)地。結(jié)構(gòu)縱向(X向)4跨,跨度均為7.5m;橫向(Y向)3跨,邊跨7.5m,中跨跨度3.0m,如圖6所示。結(jié)構(gòu)在1～4層和5～8層分別采用相同的梁、柱截面。其中,1～4層的柱截面尺寸為800mm×600mm,縱向與橫向梁截面尺寸分別為700mm×350mm與750mm×350mm;5～8層的柱截面尺寸為600mm×600mm,縱向與橫向梁截面尺寸分別為700mm×300mm與750mm×300mm;樓板厚度均為100mm。表1給出了結(jié)構(gòu)各層的層高與質(zhì)量。所有柱均采用C45級(jí)混凝土,所有梁均采用C40級(jí)混凝土,梁、柱縱筋均為HRB400級(jí)。樓板采用C40級(jí)混凝土,雙向布置10@200分布鋼筋。4.2結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)模擬該結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷機(jī)制為圖7所示的“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制,即梁端和底層柱腳是預(yù)期損傷部位,其他部位則為非預(yù)期損傷部位。首先對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下預(yù)期損傷部位的承載力設(shè)計(jì),即分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向、橫向和斜向地震動(dòng)輸入下的線彈性振型分解反應(yīng)譜分析,得到其多遇地震作用效應(yīng),并按新《抗規(guī)》要求與重力荷載效應(yīng)組合,得到預(yù)期損傷部位的設(shè)計(jì)內(nèi)力,即承載力需求。斜向地震動(dòng)輸入時(shí),根據(jù)新《抗規(guī)》條文說(shuō)明的建議,取縱向與橫向分量之比1∶0.85。對(duì)不同樓層框架梁的設(shè)計(jì)內(nèi)力進(jìn)行適當(dāng)歸并后,采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對(duì)預(yù)期損傷的框架梁端和底層柱腳進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中將一定范圍內(nèi)的樓板等效為T(mén)形梁的翼緣以考慮樓板對(duì)梁端受彎承載力的貢獻(xiàn)。有效翼緣寬度按我國(guó)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的建議取值。4.3框架結(jié)構(gòu)的變形分析預(yù)期損傷部位采用式(1)的承載力下限值,通過(guò)等效線性化法計(jì)算結(jié)構(gòu)在縱向、橫向和斜向(即縱橫向分量之比為1∶0.85)的罕遇地震作用下的地震響應(yīng),得到結(jié)構(gòu)平面在兩個(gè)主軸方向的最大層間位移角如圖8中的“調(diào)整前”計(jì)算結(jié)果所示。等效線性化法計(jì)算中采用新《抗規(guī)》的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,并按照新《抗規(guī)》的相應(yīng)公式計(jì)算不同阻尼比對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。由圖8可見(jiàn),如果采用上文計(jì)算的預(yù)期損傷部位的配筋結(jié)果,縱向框架的最大層間位移角不滿足新《抗規(guī)》要求(由于本文建議方法第一步多遇地震作用下的設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮柱端彎矩增大系數(shù)和底層柱腳放大系數(shù)等,故與新《抗規(guī)》方法的設(shè)計(jì)結(jié)果并不完全一樣)。同時(shí),分析結(jié)果顯示,底層柱腳的最大曲率延性高達(dá)8.08,下部樓層梁端的最大曲率延性系數(shù)接近8.0(圖9“調(diào)整前”),這將導(dǎo)致構(gòu)件配箍設(shè)計(jì)困難。因此,有必要對(duì)4.2節(jié)得到的預(yù)期損傷部位的配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。為了減小結(jié)構(gòu)底部樓層的層間位移,推遲底層柱腳塑性鉸的出現(xiàn),在調(diào)整配筋時(shí),保持梁截面配筋不變,增加底層柱腳的配筋,直到能夠滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角限值的要求。底層柱腳配筋增加后結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、底層柱腳以及梁端的曲率延性系數(shù)見(jiàn)圖8和圖9中“調(diào)整后”的結(jié)果,以便于與“調(diào)整前”的結(jié)果進(jìn)行比較。此時(shí),框架的最大層間位移角為1/52,滿足新《抗規(guī)》要求。在結(jié)構(gòu)層間位移滿足新《抗規(guī)》要求的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)預(yù)期損傷部位(梁端和底層柱腳)進(jìn)行塑性變形能力設(shè)計(jì),即根據(jù)以上等效線性化法得到的預(yù)期損傷部位的曲率延性系數(shù)進(jìn)行配箍設(shè)計(jì)。新《抗規(guī)》尚未規(guī)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法,本文采用錢(qián)稼茹等建議的鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件的變形能力設(shè)計(jì)方法,確定所需的配箍特征值。在結(jié)構(gòu)滿足罕遇地震作用下層間位移要求,完成預(yù)期損傷部位的塑性變形能力設(shè)計(jì)之后,進(jìn)行罕遇地震作用下非預(yù)期損傷部位的抗震承載力設(shè)計(jì)。4.4框架柱的承載力比仍采用等效線性化法計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同方向罕遇地震作用下的非線性響應(yīng)。與上一步的不同之處在于,對(duì)預(yù)期損傷部位采用式(2)的承載力上限值。通過(guò)等效線性化法計(jì)算出結(jié)構(gòu)在縱向、橫向以及斜向輸入的罕遇地震作用下的非預(yù)期損傷部位(框架柱)的設(shè)計(jì)內(nèi)力。圖10給出了圖6中標(biāo)示的角柱A1、邊柱A3和中柱B3在斜向地震作用下的設(shè)計(jì)內(nèi)力。采用式(3)的標(biāo)準(zhǔn)荷載組合和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)框架柱截面進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。理想情況下,當(dāng)通過(guò)有效措施保證框架柱在大震作用下不發(fā)生損傷時(shí),可以不要求框架柱具有塑性變形能力。但由于實(shí)際地震作用具有很大的不確定性,同時(shí)框架柱作為結(jié)構(gòu)體系中重要的豎向承重構(gòu)件,其脆性破壞將造成嚴(yán)重的后果,因此框架柱仍應(yīng)滿足基本的抗震配箍構(gòu)造要求。根據(jù)上述分析結(jié)果,本文框架算例中角柱的柱梁承載力比在1.8～2.3之間,高于新《抗規(guī)》中一級(jí)框架的柱端彎矩增大系數(shù)ηc;中柱在1.2～1.4之間,與新《抗規(guī)》中二、三級(jí)框架的柱端彎矩增大系數(shù)ηc取值范圍相近。與GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“舊《抗規(guī)》”)相比,新《抗規(guī)》大幅提高了各級(jí)框架的柱端彎矩增大系數(shù)ηc。本文框架算例的柱梁承載力比與新《抗規(guī)》更加接近。但應(yīng)注意到,在同一個(gè)框架結(jié)構(gòu)內(nèi),按本文方法得到的不同部位的柱梁承載力比并不相同。4.5u3000地震反應(yīng)記錄在上述設(shè)計(jì)流程中,等效線性化法在給出所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的預(yù)期損傷部位和非預(yù)期損傷部位抗震承載能力和變形能力需求的同時(shí),也給出了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的峰值響應(yīng)。對(duì)于一般建筑結(jié)構(gòu),不必再進(jìn)行額外的抗震性能驗(yàn)算。但為了檢驗(yàn)上述設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性,下面采用動(dòng)力彈塑性分析比較上述設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)(本文框架)與按照舊《抗規(guī)》設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)(規(guī)范框架)的地震響應(yīng)。采用的地震動(dòng)記錄是按照以下原則從美國(guó)PEER/NGA數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中心(CSMNC)在2008年汶川地震中得到的共計(jì)3000余條強(qiáng)震記錄中挑選得到的:①地震震級(jí)M>6.5;②斷層距大于10km;③PGA大于0.2g,PGV大于15cm/s;④30m土層平均剪切波速介于200～500m/s之間;⑤記錄的有效周期至少達(dá)到6s;⑥同一地震最多只取1條記錄,當(dāng)同一地震事件中記錄到的地震波有不止1條符合其他所有條件時(shí),選取PGV最大的1條;⑦儀器位于自由場(chǎng)地或小型建筑物的地面層。表2列出了所選地震動(dòng)記錄的基本信息。在進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析時(shí),統(tǒng)一將這些地震動(dòng)記錄調(diào)幅至PGV=50cm/s,大致相當(dāng)于我國(guó)的8度抗震設(shè)防地區(qū)的罕遇地震水平。采用ABAQUS6.7進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,分析中考慮了幾何非線性效應(yīng)?？蚣芰?、柱采用纖維梁模型,鋼筋與混凝土的單軸滯回本構(gòu)模型考慮了鋼筋混凝土構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下的剛度與承載力退化行為。文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了該數(shù)值模型,并通過(guò)與大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。“本文框架”與“規(guī)范框架”的梁、柱構(gòu)件截面尺寸均相同,與“規(guī)范框架”相比,“本文框架”的總縱筋用量增加了19.4%,其中框架柱的縱筋用量增加了33.6%,框架梁增加了7.5%。圖