基于中国-埃塞俄比亚规范的钢筋混凝土房屋建筑抗震性能差异分析

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钢筋混凝土结构作为一种重要的建筑形式得到了广泛的应用。然而,各国根据各自的地震危险性条件,颁布实施了相应的钢筋混凝土建筑抗震规范。这将给来自不同国家的专业人士之间的技术交流造成障碍。因此,在全球化快速发展的今天,有必要对各国规范的优缺点进行比较研究,以便相互借鉴,达到建筑标准在经济性、安全性和有效性方面的最佳实践。本文根据埃塞俄比亚抗震设计规范(ES8-2015)和中国抗震设计规范(GB50011-2010),对钢筋混凝土建筑的抗震性能和土-结构动力相互作用进行了研究。本文由三个重要部分组成。首先,研究了抗震标准制定的背景,并根据埃塞俄比亚和中国的抗震规范和混凝土规范对模型建筑进行了设计。其次,采用Pushover方法对模型进行了抗震性能分析,并用增量动力分析法(IDA)进行了验证。再次,研究了土-结构相互作用的动力分析。最后,总结了一些重要结论。第一部分回顾了埃塞俄比亚抗震规范(ES8-2015)和中国抗震规范(GB50011-2010)中的设计反应谱规定。为了进行比较,在综合考虑前人研究的基础上,涉及到两个规范的各项设置。比较了相同设计地震危险度下水平地震动和等效地震动的弹性反应谱。结果表明,在小于2.0s的振动周期内,两者之间没有显著差异,但在较长的振动时间T>2.0s时,中国规范(GB50011-2010)的结果明显大于埃塞俄比亚(ES8-2015)的结果,这与之前在ES8-2015背景下的研究结论是一致的。另外,设计反应谱对比表明,中国(GB50011-2010)反应谱中延性折减系数的缺失,不仅是造成这种差异的原因,而且还规定了长周期区域反应谱曲线。总的来说,本研究突出了两个国家规范反应谱的优点,可供今后的比较研究,以及对建筑抗震设计的指导和性能评价。第二部分介绍了基于埃塞俄比亚(ES8-2015)(基于EN1998-1)和中国(GB50011-2010)抗震规范设计的钢筋混凝土框架的抗震性能评估,以实现其最佳实践。在本研究中,分别对三个4层、8层和12层的钢筋混凝土框架结构分别按照各国的规范进行设计。然后,利用FEMA-356和ATC-40规定的非线性静力(Pushover)程序对其抗震性能进行了评估,并用增量动力分析(IDA)进行了验证。比较参数包括弹性刚度、峰值强度、目标位移和塑性铰形成模式。结果表明,结构的整体性能和局部性能有许多相似之处。尽管如此,重要的发现是观察到一些值得注意的差异,如下所示。(1)根据ATC-40生命安全结构性能水平,当推覆分析达到2%的屋顶位移时,GB50011-2010设计的框架具有较大的推覆承载力曲线,但是柱中形成更多的塑性铰,从而影响层间位移;而ES8-2015设计的框架,梁中形成的塑性铰(耗能)比中的更多柱在结构高度上分布均匀,表现出较好的强柱弱梁情景。(2)对于屋面位移达到相应规范性能点(目标位移)的Pushover分析,对于4层和8层框架,ES8-2015中的目标位移大于GB50011-2010,而对于12层框架则变小。这些变化与规范弹性谱唯一性直接相关,GB50011-2010的需求谱比ES8-2015大得多,特别是振动周期T>2.0s。(3)然而,对于上述(1)和(2)中的论点,必须注意,两个规范(2)中的性能点分析均满足设计要求,尽管(1)中2%顶板位移的结构性能存在差异。尽管如此,在比较不同的抗震规范时,这些都是获益的重要见证,因为它们各自有各自的优点。综上所述,虽然本研究仅限于受弯钢筋混凝土框架,但将本研究扩展到各种结构形式并建立它们之间的相关性,对进一步研究这两种抗震标准具有重要意义。第三部分,对二维和三维基础软土(柔性基础)下多层钢筋混凝土框架结构的土-结构相互作用(SSI)进行了动力分析。根据中国地震标准(GB50011-2010)和埃塞俄比亚地震标准(ES8-2015),分别考虑剪切速度小于150m/s的IV类和D类软土。在二维SSI分析中,借助SAP2000计算机程序,采用Winkler弹簧的SSI模型和半空间直接法对7层和12层钢筋混凝土框架进行了SSI动力分析。两个SSI模型的分析结果表明,基本振动周期和层位移大于固定基座,而基础剪力较小。此外,柔性基础模型在席底有较大的层间位移和二阶效应(P-△)。这表明,由于SSI而降低基底剪力并不意味着总是有益的。由于各种地基席席上,固定基础和柔性基础上的重力荷载(P)相同,柔性基础的层间位移增大和层间剪力减小将增加底层的(P-△)效应,使底部构件的竖向构件过度受力。可能导致稳定性问题,导致坍塌。另一方面,对20层剪力墙框架体系进行了三维SSI动力分析。利用FORTRAN用户子程序,将地震输入模型-带人工边界的粘弹性边界(VSB)应用于ABAQUS软件,对模型墙框架结构进行SSI动力分析。同时,将粘弹性边界的SSI模型与约束自由度边界的SSI模型进行了比较,结果吻合良好。另一方面,三维SSI分析的整体响应与二维分析相似。然而,三维模型分析虽然精度较高,但计算要求较高。此外,SSI对墙-框架相互作用的影响也很明显,与固定基础相比,墙和框架在建筑响应中具有不同的刚度。墙体和框架系统内的应力分布随结构高度的变化而变化,反之亦然,或增大或减小。用图表的形式给出了建筑物高度沿结构高度的变化,得到了SSI与固定地基响应的相关性。最后,通过对SSI的分析,说明了SSI在建筑抗震设计中的重要性,因此有必要将SSI纳入简化的P-△效应抗震规范中。综上所述,根据FEMA 356和ATC-40,对中国(GB50011-2010)和埃塞俄比亚(ES8-2015)设计的钢筋混凝土框架进行了抗震性能评价。研究结果对今后中国和埃塞俄比亚的规范更新及相关抗震规范的应用具有指导意义。此外,它还强调了SSI在抗震规范中的重要性,特别是简化形式中的P-△效应。
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