典型山地RC框架结构强震破坏模式及易损性研究

Earthquake damage investigation had indicated that the hill buildings, which have horizontal constraints at varying heights, have more severe damage than corresponding buildings, which construct in flat ground. The hill buildings are prone to form unexpected failure mechanism due to their irregularities in plane and elevation layout and the uncertainties in their internal force distribution paths, besides the effects of slope stabilities. Thus, in the current study, the failure mechanism and fragility analysis of the typical RC frame structures, which are built on sloping ground, subjected to strong earthquake hazards are investigated. Firstly, to simplify the diversity of structural layouts in nature, stiffness ratio is taken as a control factor. Then, with considering of the differences of rotations at column ends due to uneven column heights, the concept of equivalent column is brought in to generate the relationship between the stiffness ratio and column section design. In addition, a double-stiffness-control index is proposed based on the analytical analysis, experimental tests, and numerical simulations. Furthermore, the seismic fragility analysis based on the method of probability density evolution is carried out to evaluate the rationality and reliability of proposed double-stiffness-control index as well as to demonstrate the damage probabilities of the hill buildings with varying stiffness ratio subjected to different earthquake scenarios. Finally, based on above experimental and analytical analysis, a double-stiffness-control method is proposed for providing necessary research foundation and technological supports on generating seismic design criteria and seismic safety evaluation of hill buildings.

震害调查表明，具有不等高约束的山地建筑，其破坏程度明显高于同类平地建筑，除边坡稳定影响外，平面和竖向的不规则性及内力传递规律的不明确性，致使其发生不同于设计预期的破坏模式。对此，本课题围绕典型山地RC框架结构开展强震破坏模式及易损性研究。首先，针对结构布置形式繁多的问题，用刚度比作为控制因子，从本质上简化结构布置的多样性；其次，引入等代柱思想，考虑不等高柱端节点转角和柱底旋转角差异的影响，修正刚度计算方法，实现从刚度比到柱截面设计的转化；再采用理论分析、试验研究及数值模拟的方法，建立刚度双控指标；然后，基于概率密度演化理论的地震易损性分析，评估刚度双控指标的合理性和适用性，并给出不同抗震设防烈度下、不同刚度比条件下结构超越给定性能水准的破坏概率。最终，提出典型山地RC框架结构合理破坏模式的刚度双控方法。研究成果为山地建筑结构建立相应的抗震设计准则和抗震安全评估提供有力的研究基础和技术支撑。

近年来，尽管山地建筑结构作为一种具有不等高约束特点的结构形式被普遍应用于诸多山地城市，但由不等高约束可能引发的结构安全性问题未引起足够的重视。然而，2008年5.12汶川地震后，课题申请者从现场收集的震害资料中，惊奇地发现在地震烈度并不太高的四川都江堰市，依山新建的二至三层山地RC框架房屋破坏程度出乎意料的高于同类平地结构，甚至有部分倒塌。从震害中发现山地RC框架出现了层屈服机制，以及底层柱端与梁柱节点发生脆性剪切破坏等最不期望的破坏模式。分析其震害原因是由于具有不等高约束的山地建筑结构，不仅内力传递规律不明确，而且其平面和竖向不规则性与普通结构截然不同，此不同在设计时往往被忽视，仍然套用现有规范不规则控制指标进行设计，致使其易于发生不同于设计预期的破坏模式。. 震害调查表明，具有不等高约束的山地建筑，其破坏程度明显高于同类平地建筑，除边坡稳定影响外，平面和竖向的不规则性及内力传递规律的不明确性，致使其发生不同于设计预期的破坏模式。对此，本课题围绕典型山地RC框架结构开展强震破坏模式及易损性研究。首先，针对结构布置形式繁多的问题，用刚度比作为控制因子，从本质上简化结构布置的多样性；其次，引入等代柱思想，考虑不等高柱端节点转角和柱底旋转角差异的影响，修正刚度计算方法，实现从刚度比到柱截面设计的转化；再采用理论分析、试验研究及数值模拟的方法，建立刚度双控指标；然后，基于概率密度演化理论的地震易损性分析，评估刚度双控指标的合理性和适用性，并给出不同抗震设防烈度下、不同刚度比条件下结构超越给定性能水准的破坏概率。最终，提出典型山地RC框架结构合理破坏模式的刚度双控方法。重要结果：1）提出典型山地RC框架结构侧向刚度计算简化方法及刚度双控指标；2）得到典型山地RC框架结构地震易损性分析结果；3）建立典型山地RC框架结构合理破坏模式的刚度双控方法；4）给出优化布置原则与有效抗震措施建议。研究成果为山地建筑结构建立相应的抗震设计准则和抗震安全评估提供有力的研究基础和技术支撑。