钢筋混凝土框架结构倒塌失效模式、风险与鲁棒性分析

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进行结构设计的主要目标之一就是要保证在地震或其它偶然荷载作用下,结构不倒塌(至少不立即倒塌),留出充裕的逃生时间,最大限度地保障人们的生命和财产安全。针对地震作用,现有抗震规范提供了大震不倒的设计要求和分析方法,但据此只能得到定性结论而非定量指标,无法评价结构抗倒塌的极限能力。针对其它偶然荷载,我国很多建筑设计规范已经注意到了结构鲁棒性对提高结构抗连续倒塌能力的重要性,但都没给出具体的要求和方法,缺乏指导性和可操作性。本文以OpenSEES作为分析平台,引进当前国外规范的分析方法,对基于我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构进行侧向增量倒塌和竖向连续倒塌分析,定量地评估结构的抗倒塌能力。在侧向增量倒塌分析时,同时采用POA和IDA方法。首先根据可靠度理论预测结构各种倒塌失效模式的出现概率,并给出各失效模式随强柱弱梁系数COF的变化趋势。随后,以超强系数和延性系数为目标参数,采用Pushover分析(POA)方法研究结构在不同侧向力分布形式、不同梁柱线刚比和不同COF情况下结构的抗倒塌能力。继而,以易损性(条件倒塌概率)和危险性(年平均倒塌概率)为评价指标,采用增量动力分析(IDA)方法分析结构抵抗侧向增量倒塌的能力,并给出主要的几种倒塌失效模式。最后,对结构地震倒塌风险概率的点估计值进行评估。在IDA方法中,考虑了实时移除和不移除构件两种工况。在竖向连续倒塌分析中,同时采用非线性动力分析(NDA)、Pushdown分析(PDA)和竖向IDA方法。首先通过非线性动力分析方法,考虑失效构件所在位置、失效时长等因素,直观地查看结构在某以构件失效后相邻区域的反应情况。然后,采用Pushdown方法推求结构的抵抗连续倒塌极限能力,并对动力放大系数进行分析。继而,提出了竖向IDA方法,对失效构件之上、之下的剩余部分分别进行架越能力和抗冲击的极限能力分析。最后,借助冗余度指标定量地给出结构鲁棒性的大小。通过本文的分析可以得出结论:按现行规范设计的钢筋混凝土框架结构的年平均地震倒塌概率为3.2×10?4。在各层内柱失效后,结构不会发生连续倒塌;当底层柱失效时,结构的鲁棒性大小为1.32;因此,当仅考虑一个单元失效时,按现行规范设计的结构具有足够的抗连续倒塌能力。
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