基于性能的抗震設(shè)計(jì)的案例
【JY】淺析基于性能的抗震分析方法——性能設(shè)計(jì)
【寫在前文】
在閱讀此文前，可先看下以下文章：
【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)（一）
【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)（二）
【JY|理念】結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)之(設(shè)計(jì)理念進(jìn)展)
【性能設(shè)計(jì)】
建筑結(jié)構(gòu)通常使用彈性分析進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，主要目的是為了將復(fù)雜的非線性問題，簡(jiǎn)化為易于分析理解的線彈性問題，進(jìn)而借助反應(yīng)譜、彈性時(shí)程分析等快速對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。然而，大多數(shù)建筑物在大地震下都會(huì)經(jīng)歷顯著的非彈性變形。基于性能的設(shè)計(jì)分析方法也隨著算力的增強(qiáng)而出現(xiàn)。
現(xiàn)代基于性能的設(shè)計(jì)方法是確定結(jié)構(gòu)在某種條件下的實(shí)際行為的方法。在計(jì)算技術(shù)及算力的進(jìn)步和可用測(cè)試數(shù)據(jù)的支持下，非線性分析為計(jì)算彈性范圍以外的結(jié)構(gòu)響應(yīng)提供了手段，包括與非彈性材料行為、接觸非線性行為和大位移相關(guān)的強(qiáng)度和剛度退化等等。因此，非線性分析可以在新建建筑的設(shè)計(jì)或既有建筑物的加固改造中發(fā)揮著重要作用。
非線性分析需要付出更多的精力、時(shí)間與算力，并且應(yīng)該考慮到具體的目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)地震工程實(shí)踐中應(yīng)用非線性分析的典型實(shí)例是：
(1)評(píng)估和設(shè)計(jì)既有建筑的抗震改造解決方案;
(2)設(shè)計(jì)采用不符合現(xiàn)行建筑規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)材料、系統(tǒng)或其他特征的新建筑;
(3)根據(jù)特定的業(yè)主/甲方等，要求評(píng)估建筑的安全性能。
建筑物的抗震性能通常與建筑物結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔墻、天花板、暖通/電氣系統(tǒng)和內(nèi)容物的損壞有關(guān)。
雖然建筑物的性能是連續(xù)的，但出于設(shè)計(jì)目的，可以方便地確定對(duì)建筑物功能、財(cái)產(chǎn)保護(hù)和安全有重大影響的主要結(jié)構(gòu)和其他建筑部件的離散性能水平。
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#性能分析
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理念
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【JY】Abaqus6.14
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抗震規(guī)范稱水平地震影響系數(shù)所關(guān)聯(lián)的譜為加速度譜，從概念上講實(shí)際是絕對(duì)加速度譜，而不是與很多國(guó)外規(guī)范相對(duì)應(yīng)的偽加速度譜。在阻尼比很小時(shí)（比如阻尼比5%）中國(guó)抗震規(guī)范的絕對(duì)加速度譜值和偽加速度譜值大小在全周期段都是很接近的，幾乎可以認(rèn)為相等。但是在阻尼比很大的時(shí)候，二者是有較明顯的差別的，尤其是在長(zhǎng)周期、大阻尼比時(shí)，絕對(duì)加速度譜值與偽加速度譜值差異較大，且絕對(duì)加速度譜值總是大于偽加速度譜值。
為什么在長(zhǎng)周期、大阻尼比時(shí)，絕對(duì)加速度譜值總是大于偽加速度譜值？
原因是系統(tǒng)慣性力(阻尼力+彈性恢復(fù)力)是由絕對(duì)加速度譜計(jì)算得到，而系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力是由偽加速度譜計(jì)算得到。
換句話說，偽加速度引起的“慣性力”正好等于系統(tǒng)在實(shí)際地震中產(chǎn)生的最大彈性恢復(fù)力。絕對(duì)加速度譜反應(yīng)的是慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力加速度特性，而偽加速度譜反應(yīng)的是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的“內(nèi)力加速度”特性，即：
因此對(duì)結(jié)構(gòu)的舒適度分析更關(guān)注絕對(duì)加速度，而對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力設(shè)計(jì)即分析則更關(guān)心偽加速度。
在基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法中(詳情可以看下
【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)(一)
)，結(jié)構(gòu)的滯回恢復(fù)力是抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，對(duì)無附加阻尼的結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)阻尼比很小且周期處于中長(zhǎng)周期時(shí)，絕對(duì)加速度譜和擬加速度譜均可作為抗震設(shè)計(jì)譜的標(biāo)定依據(jù)。
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基于能力保護(hù)原則的橋梁抗震設(shè)計(jì) 附公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則JTGT B02-01-2008下載
本文對(duì)基于能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)的橋梁，簡(jiǎn)要介紹了橋梁抗震設(shè)計(jì)原則、抗震體系選取，重點(diǎn)分析了橋梁墩柱潛在塑性鉸屈服條件的判斷過程，以及不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件-墩柱抗剪、蓋梁、基礎(chǔ)、支座作為能力保護(hù)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)、塑性鉸、能力保護(hù)設(shè)計(jì)
01引言
地震災(zāi)害是瞬時(shí)突發(fā)性的社會(huì)災(zāi)害，短時(shí)間內(nèi)造成橋梁倒塌、交通中斷、人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失巨大，它所造成的社會(huì)影響比其他自然災(zāi)害更為廣泛、強(qiáng)烈，社會(huì)影響深遠(yuǎn)。《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：地震基本烈度為6度及以上地區(qū)的城市橋梁，必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，且此條為強(qiáng)制性條文。橋梁抗震設(shè)計(jì)一直受到設(shè)計(jì)及審查人員重視，但在實(shí)際設(shè)計(jì)文件中，抗震設(shè)計(jì)仍存在一定問題，部分設(shè)計(jì)文件抗震設(shè)計(jì)概念混淆、抗震計(jì)算內(nèi)容不全、或能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)取值存在問題。本文結(jié)合審圖過程中抗震設(shè)計(jì)、以及《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166-2011）、《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01-2020)，對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)、能力保護(hù)構(gòu)件計(jì)算的內(nèi)容進(jìn)行了梳理，希望能對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)及施工圖審查工作有所幫助。
02抗震設(shè)計(jì)原則及抗震體系選取
橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本原則包括：彈性設(shè)計(jì)原則、延性設(shè)計(jì)原則、能力保護(hù)原則、減隔震設(shè)計(jì)原則。合理的抗震設(shè)計(jì)，要求橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性等指標(biāo)上組合最佳，從而經(jīng)濟(jì)合理的實(shí)現(xiàn)抗震目標(biāo)。
(1) 抗震設(shè)防目標(biāo)及抗震設(shè)計(jì)原則
橋梁抗震設(shè)防分類依據(jù)其結(jié)構(gòu)型式、在城市交通網(wǎng)絡(luò)中位置的重要性以及承擔(dān)的交通量分為甲、乙、丙、丁四類，甲、乙、丙類橋梁抗震設(shè)計(jì)采用兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段（E1、E2）設(shè)計(jì)方式。
展開 【JY|STR】求解器之三維結(jié)構(gòu)振型分析
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#概念機(jī)理
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展開 基于ABAQUS的剪力墻抗震性能模擬
計(jì)算任務(wù)的描述：墻體尺寸為1400mm×160mm×2800mm，兩側(cè)有200mm×160mm×2800mm的后澆暗柱，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為43.1 Mpa，混凝土密度2400kg/m4，混凝土彈性模量為3.15x104 Mpa.泊松比0.2。暗柱設(shè)有4根直徑為16mm的HRB335縱向鋼筋和間距為150mm的直徑為8mm的HPB300型號(hào)的箍筋，墻體橫向和豎向設(shè)間距為200mm，直徑為8mm的HPB300鋼筋。密度7.85g/cm'，鋼筋的彈性模量為2x105MPa，泊松比0.2。
仿真計(jì)算采用的設(shè)備基本情況：
CPU：Inter(R) Core(TM) i3-4005U雙核、內(nèi)存：4GB
計(jì)算模型的處理技術(shù)：水平荷載往復(fù)施加，采用力位移混合控制加載，前五級(jí)為荷載控制加載，分別為50kN、100KN、150kN、200kN、300kN，每級(jí)荷載循環(huán)一次；其后為位移控制加載，其位移大小分別為8mm、16mm、24mm、32mm、40mm、50mm、60mm，其中16mm、24mm、32mm、40mm，共十一次循環(huán)。所有荷載共十六次循環(huán)。
方法計(jì)算的機(jī)時(shí)耗費(fèi)情況：計(jì)算結(jié)果提交后花費(fèi)了一個(gè)多小時(shí)。
仿真計(jì)算的結(jié)果分析：剪力墻下端混凝土兩側(cè)發(fā)生膨脹變形，鋼筋屈服，混凝土出現(xiàn)裂縫，且主要出現(xiàn)在墻角兩側(cè)，隨著加載的位移增大，混凝土的裂縫逐漸發(fā)展到上端，最后墻角混凝土發(fā)生損壞。
展開 基于ABAQUS的空間RC梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能分析
一、試件設(shè)計(jì)
所有節(jié)點(diǎn)試件（本模擬取中節(jié)點(diǎn)，包含三種節(jié)點(diǎn)形式，平面節(jié)點(diǎn)PM、空間節(jié)點(diǎn)KJ、空間帶樓板節(jié)點(diǎn)KJS）均取自一PKPM設(shè)計(jì)的6層框架，原型結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩方向跨度均取5.4m，首層層高4.2m，其余各層層高均為3.6m。原型結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算由PKPM V3.1設(shè)計(jì)軟件完成，模型設(shè)計(jì)過程滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)相關(guān)要求。框架柱截面尺寸均取550mm×550mm，框架梁截面尺寸均取500mm×300mm，樓板厚度均取135mm。樓面恒載取5.0kN/m2，活載取2.0 kN/m2；屋面恒載取7.0 kN/m2，活載取0.5 kN/m2；梁上線荷載取16.0 kN/m。計(jì)算時(shí)所有構(gòu)件均采用C30級(jí)混凝土，梁、板、柱受力縱筋均采用HRB400級(jí)鋼筋，梁、柱箍筋均采用HPB300級(jí)鋼筋。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度取7度(0.15g)，地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為II類，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。原型結(jié)構(gòu)梁與柱配筋結(jié)果見表1。
圖1 節(jié)點(diǎn)取型和節(jié)點(diǎn)樣式
考慮到后期試驗(yàn)場(chǎng)地與試驗(yàn)儀器的限制，模擬時(shí)按試驗(yàn)設(shè)計(jì)試件，將原型梁-柱子結(jié)構(gòu)進(jìn)行2/3縮尺，得到試驗(yàn)試件尺寸，試件配筋按照等配筋率進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)各試件柱截面尺寸均為350mm×350mm，梁截面尺寸均為350mm×200mm，其中裝配整體式構(gòu)件預(yù)制梁截面為300mm×200mm，梁現(xiàn)澆層高80mm。模擬試件梁、柱配筋結(jié)果見表1。
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抗震性能良好的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度來抵御地震作用，且應(yīng)具有良好的能量耗散能力來消耗地震能量，更為重要的是，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠大的延性來保證結(jié)構(gòu)在屈服之后仍具有足夠的強(qiáng)度來避免突然的破壞倒塌。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能展開全面的評(píng)估是非常有必要的。為什么要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)呢？
基于型鋼-鋼絞線的新型預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究
圖9 滯回曲線對(duì)比
圖10 骨架曲線對(duì)比
4 結(jié)論
為驗(yàn)證裝配式強(qiáng)化梁柱節(jié)點(diǎn)在受力和抗震性能方面與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)相比具有優(yōu)勢(shì)，分別建立了傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)化梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型，分析了它們的破壞形態(tài)和滯回性能。結(jié)果表明，在相同荷載作用下，強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)更不易發(fā)生破壞；強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力和耗能能力均優(yōu)于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的。綜上所述，基于型鋼-鋼絞線的新型預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能優(yōu)異，可將其推廣運(yùn)用于工程實(shí)踐。
參考文獻(xiàn)
[1] 崔燕偉, 劉晶波, 費(fèi)畢剛. 基于有限元分析的鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)斜壓桿受力機(jī)理研究[J]. 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化, 2021(S1): 56-64.
[2] 王子豪, 陶忠, 吳所謂. 方鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)域參數(shù)有限元對(duì)比分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)(下半月),2021,21(09):140-141+144.
[3] 戎賢, 卜凡, 張健新, 楊洪渭. 裝配式預(yù)制鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2021,54(06):502-508.
[4] 李飛濤. 裝配混凝土結(jié)構(gòu)插銷式梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能有限元分析[D].安徽理工大學(xué),2021.
[5] 李志強(qiáng),許金莉,胡慶龍.內(nèi)置CFRP圓管的方鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析[J].建設(shè)科技,2018(03):48-49.
[6] 張賀昕, 張艷霞, 劉安然, 李振興. 某超高層結(jié)構(gòu)典型鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析[C]//.第二屆全國(guó)智慧結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.,2016:66-70.
[7] 范國(guó)璽. 鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[D].大連理工大學(xué),2015.
[8] 張俊兵, 張良平, 鐘玉柏, 馬臣杰.
展開 基于型鋼-鋼絞線的新型預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究
圖9 滯回曲線對(duì)比
圖10 骨架曲線對(duì)比
4 結(jié)論
為驗(yàn)證裝配式強(qiáng)化梁柱節(jié)點(diǎn)在受力和抗震性能方面與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)相比具有優(yōu)勢(shì)，分別建立了傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)化梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型，分析了它們的破壞形態(tài)和滯回性能。結(jié)果表明，在相同荷載作用下，強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)更不易發(fā)生破壞；強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力和耗能能力均優(yōu)于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，可將強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)推廣運(yùn)用于工程實(shí)踐。
參考文獻(xiàn)
[1] 崔燕偉, 劉晶波, 費(fèi)畢剛. 基于有限元分析的鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)斜壓桿受力機(jī)理研究[J]. 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化, 2021(S1): 56-64.
[2] 王子豪, 陶忠, 吳所謂. 方鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)域參數(shù)有限元對(duì)比分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)(下半月),2021,21(09):140-141+144.
[3] 戎賢, 卜凡, 張健新, 楊洪渭. 裝配式預(yù)制鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2021,54(06):502-508.
[4] 李飛濤. 裝配混凝土結(jié)構(gòu)插銷式梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能有限元分析[D].安徽理工大學(xué),2021.
[5] 李志強(qiáng),許金莉,胡慶龍.內(nèi)置CFRP圓管的方鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析[J].建設(shè)科技,2018(03):48-49.
[6] 張賀昕, 張艷霞, 劉安然, 李振興. 某超高層結(jié)構(gòu)典型鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析[C]//.第二屆全國(guó)智慧結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.,2016:66-70.
[7] 范國(guó)璽. 鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[D].大連理工大學(xué),2015.
[8] 張俊兵, 張良平, 鐘玉柏, 馬臣杰.
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