冗余度理论已经在多个学科领域中进行深入的研究和应用,2001年美国的9.11事件让人们进一步了解到冗余度对建筑结构防连续倒塌的重要作用。在此之后,美国与日本就开始对冗余度理论在土木工程领域的应用进行研究。本文以RC框架建筑为研究对象,基于建筑抗震冗余度基本理论,借助于理论分析、数值模拟、试验研究等手段,研究冗余度理论在实际工程抗震设计中的应用,提出了多层次抗震体系的设计方法。主要的研究工作及结论如下:(1)基于建筑抗震冗余度的基本理论,结合我国建筑抗震设防的现状,从建筑结构冗余布局和构件截面冗余设计两个方面入手,构建了RC框架结构房屋抗震冗余设计的基本思路和控制对策:1)在建筑结构布局层面,提出建筑抗震体系层次化概念,利用建筑非结构构件(如围护墙、填充墙等)作为建筑防线,使其先于结构构件破坏,在结构构件破坏前尽可能多地耗散地震能量,以减轻主体结构的损伤或破坏;对于结构构件,根据其重要性(相对刚度、承重情况等)不同分为抗侧力构件和普通承重构件,采用区别对待的设计对策使结构体系在强烈地震作用下发生渐进式破坏;2)在构件设计层面,根据构件在建筑抗震体系中所处的层级不同采取不同的设计对策,即按照“建筑防线—结构抗侧力体系—普通承重构件”的破坏顺序要求,根据刚度、强度和延性相互匹配的原则提出各层级构件的截面设计控制原则,进而给出了完善的、具有工程可操作性的RC框架结构房屋抗震冗余设计方法。(2)根据上述研究成果,选取2008年5.12汶川地震中一栋倒塌的RC框架教学楼作为试设计对象进行抗震冗余设计。冗余设计时,维持建筑使用功能不变,将原设计中240mm厚普通砌体填充墙替换为100mm厚少配筋混凝土墙,作为建筑防线使用;对于结构构件,将承重较小的框架作为抗侧力构件,要求其具有承担全部地震作用的能力;剩余的、承担重较大的柱及相关构件作为普通承重构件,其抗侧强度不计入整体抗震能力,但要求具有适应抗侧力构件极限变形的能力,即在抗侧力构件处于极限变形的状态下,普通承重构件仍具有足够的承重能力。经与原设计比较表明,冗余设计后房屋的整体刚度有所增加,且较为均匀,自振周期略有下降,两主轴方向的动力特性更为接近,扭转效应明显减小。(3)对上述冗余设计结果采用通用有限元软件MSC.Marc进行弹塑性仿真分析。分析显示,地震作用下,100mm厚少配筋混凝墙首先发生破坏,但具有较好的延性,能够实现“坏而不倒”的预期设计目标,较好地保护主体结构;罕遇地震下,抗侧力体系产生明显的损伤但仍具有足够的承载力,能够达到大震不倒的设计目标;在地震强度进一步增加的情况下,建筑防线和抗侧力体系刚度退化加剧,普通承重构件破坏,最终结构整体失效。上述结果表明,抗震冗余设计的房屋,建筑结构布局合理,在地震作用下能够实现构件分批次屈服,具备多层次抵抗地震作用的能力。(4)为进一步检验抗震冗余设计的有效性和可靠性,对带填充墙的RC框架房屋进行了比例为1:5的振动台模拟地震模型试验研究。试验选取Elcentro波、Taft波和一条人工波作为输入激励,由台面加速度峰值0.05g开始,逐级增大台面输入强度,直至主体结构破坏失效。试验中,延性较好、强度较低的填充墙,即建筑防线首先破坏,但并未立即退出工作,能够持续消耗地震输入能量,较好地保护主体框架结构。试验结果表明,建筑结构构件的破坏模式及次序合理,建筑整体力学性能退化的层次清晰,达到了冗余设计的预期目的,本文给出的抗震冗余设计方法是合理、有效的。