基于性能的方钢管混凝土框架结构地震易损性分析_刘晶波
第43卷第2期2010年2月
土 木 工 程 学 报
CH I NA C I V I L ENG I NEER I NG J O URNAL
Vol .43Feb . No .2
2010
基金项目:国家自然科学基金(50978141),国家自然科学基金重点项
目(50438020)、国家973项目(2007CB714203)
作者简介:刘晶波,博士,教授收稿日期:2008209201
基于性能的方钢管混凝土框架结构地震易损性分析
刘晶波1
刘阳冰1
闫秋实1
韩 强
2
(1.清华大学,北京100084;2.北京工业大学,北京100124)
摘要:钢2混凝土组合结构由于兼有钢结构和混凝土结构的优点,近年来得到了迅速发展和广泛应用,目前已成为我国高层建筑领域内应用较多的一种结构形式。虽然在地震区越来越多地采用这种新型的结构,但迄今为止还没有发现对钢2混凝土组合结构的地震易损性进行过研究的文献。因此给出一种基于性能的结构整体地震易损性分析方法,该方法既考虑了结构本身的不确定性,又考虑了地震动输入的不确定性。并定义了结构整体和楼层的四个极限破坏状态,从而提出了基于结构极限破坏状态确定结构抗震性能水平限值的方法。最后采用该方法对两个不同类型的方钢管混凝土框架结构进行基于性能的地震易损性分析,得到结构的易损性曲线,对结构的易损性能进行评估和分析,并比较了两个结构的易损性能。
关键词:组合结构;方钢管混凝土;性能水平;地震需求分析;易损性曲线中图分类号:T U398+.9 文献标识码:A 文章编号:10002131X (2010)022*******
Perfor mance 2ba sed se is m i c frag ility ana lysis of CFST fram e structures
L iu J ingbo 1
L iu Yangbing 1
Yan Q iushi 1
Han Q iang
2
(1.Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Beijing University of Technol ogy,Beijing 100084,China )Abstract:Steel 2concrete composite structures,which possess the advantages of both steel structures and concrete
structures,have been quickly devel opped and widely used .Up t o now,it has been a popular structure f or m for high 2rise buildings .A lthough composite structures have been more and more used in earthquake regi ons,relevant fragility analysis is not available in the literature .A perf or mance 2based fragility analysis method is p r oposed,with uncertainties due t o variability of gr ound moti on characteristics and structures taken int o considerati on .Four ulti m ate da mage states for entire structure and interst ory are defined,and based on which,a method for s olving the li m it values of the four perfor mance levels is put for ward .Seis m ic fragility analysis is carried out f or t w o different concrete 2filled square tubular (CFST )fra mes,and fragility curves are derived t o assess and compare the seis m ic perf or mances of the t w o structures .Keywords :co mposite structure;CFST;perf or mance level;seis m ic de mand analysis;fragility curve E 2ma il :liujb@tsinghua .edu .cn
引 言
近期发生在我国的汶川地震造成了大量房屋的破坏和倒塌,从而引发了一系列的社会和经济问题,这就使得地震灾害的风险分析越来越得到重视。地震灾害的风险分析主要包括地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失估计三个方面[1]
。其中地震易损性分析可以预测结构在不同等级的地震作用
下发生各级破坏的概率[2]
。由于地震时造成人员伤亡,经济损失的直接原因主要是建筑物倒塌、破坏,因此对建筑物进行地震易损性分析,一方面可以用于震
前灾害预测,设计人员可以根据结构易损性的不同,有针对性地提高结构的抗震能力;另一方面可以用于震后损失评估,为地震损失估计提供依据。
国内外对钢筋混凝土结构和桥梁结构的易损性进行了大量的研究,取得了许多成果。Schotanus 等对钢筋混凝土框架结构时变系统可靠度问题的地震易损性进行了分析[3]
;温增平提出了一种综合考虑地震
环境和场地影响的钢筋混凝土房屋地震易损性分析
方法
[4]
;常泽民提出了基于可靠度和性能的整体地震
易损性分析方法以及基于可靠度和灵敏度的局部地震易损性分析方法
[5]
。Hwang 、刘晶波针对缺乏桥梁
结构地震破坏数据的地区,考虑地震地面运动、局部工程场地条件和桥梁本身参数的不确定性,给出了一种地震作用下钢筋混凝土桥梁结构的易损性曲线的系统性分析方法
[6]
。Kari m 、Ya mazaki 建议了一种用
?40 ?土 木 工 程 学 报
2010年
数值模拟方法建立理论易损性曲线的方法[7]
。随着钢2混凝土组合结构在实际工程中广泛的应用,其在地震作用下的动力性能和抗震性能也受到了关注。因此对钢2混凝土组合结构进行基于性能的易损性分析对合理评价地震对结构造成的破坏,以便采取相应的抗震措施,使结构的破坏程度和经济损失控制在设计预期范围之内具有重要意义。由于在我国乃至全世界均缺乏钢2混凝土组合结构的地震破坏数据,所以分析方法是得到组合结构地震易损性曲线的唯一可行的方法
[6]
。且迄今为止尚缺乏对钢2混凝土
组合结构易损性的研究。
因此本文首先给出一种基于性能的结构地震易损性分析方法,进而提出基于极限破坏状态结构性能水平的确定方法。最后对组合梁2方钢管混凝土柱
(CB 2CFST )框架结构和钢梁2方钢管混凝土柱(S B 2CFST )框架结构进行基于性能的地震易损性分析,得
到结构的易损性曲线,对该类结构在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估和分析,并比较两种结构易损性的不同。
1 易损性分析方法
目前有许多方法可以求得结构的地震易损性曲线
[8]
。在结构的地震易损性分析中,有许多不确定性
存在,如结构材料性能的不确定性、几何尺寸的不确定性、边界条件的不确定性、地震动的不确定性、分析模型的不确定性等
[9]
。这些不确定性必然导致结构
动力反应的随机性,其中对结构性能影响最重要的是材料强度和地震动的不确定性。由于易损性问题本身的复杂性和繁复性及计算量的巨大,本文给出的易损性分析方法,既可以使计算量控制在一个可操作的范围内,又能系统地考虑地震动和结构的不确定性,反映结构非线性的影响
。
图1 结构易损性分析方法
F i g .1 Structura l frag ility ana lysis m ethod
图1给出了该方法的流程图。下面将按流程图中的步骤对结构进行基于性能的地震易损性分析,以获得结构的地震易损性曲线。
2 结构性能水平的确定方法
2.1 结构性能水平及破坏等级的划分
从图1可以看出结构抗震性能水平的定义在形成结构易损性曲线中起着重要的作用,直接影响了易损性曲线的形状。结构的抗震性能水平是一种有限的破坏状态,而且是与不同强度地震下结构期望的最大破坏程度相对应的。参照国内外关于结构性能水平的划分[10211]
,本文规定结构的抗震性能水平为正常使用
(NO )、立即使用(I O )、生命安全(LF )和防止倒塌(CP )4个性能水平。结构的抗震性能是结构本身具有的能
够抵抗外荷载效应的一种属性,根据衡量准则的不同,包括承载能力、变形能力、耗能能力等。当采用一个物理量来定义结构的破坏状态时,这个物理量必须能标志结构的抗震能力,称之为量化指标,结构的破坏与它有直接关系。量化指标的具体取值称为量化指标限值,也称为性能水平限值。表1给出了结构不同性能水平要求及相应的量化指标限值的表示符号。
表1 结构性能水平及量化指标限值
Table 1Performance levels and quan tit a ti ve i n dexes 性能水平
NO
I O
LF
CP
要求
结构和非结构构件不损坏或很小损坏
结构和非结构构件需要少量修复
结构保持稳定,具有足够的承载力储备
建筑保持不倒,其余破坏在可接受范围
量化指标限值
LS1
LS2
LS3
LS4
根据地震作用下结构的破坏状态,可以将结构的破坏状态划分为许多等级。这种等级的划分方法有多种,本文参照我国普遍采用的结构破坏等级的划分方法
[12]
,将结构在地震作用下的表现分为:基本完好、
轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌5个等级。结构4个不同性能水平的最大破坏程度是与结构的基本完
好、轻微破坏、中等破坏和严重破坏的最低极限破坏状态相对应。表2给出了结构破坏等级与抗震性能量化指标的关系。
表2 结构破坏等级与量化指标的关系
Table 2Rel a ti on sh i ps between damage grades &
quan tit a ti ve i n dexes
破坏等级基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌
量化指标
≤LS1
(LS1,LS2](LS2,LS3](LS3,LS4]
>LS4
第43卷 第2期刘晶波等?基于性能的方钢管混凝土框架结构地震易损性分析?41
?2.2 极限破坏状态
根据表1和表2关于结构性能水平和结构破坏等级的划分,本文定义结构相应于4个性能水平的整体和楼层极限破坏状态:正常使用极限状态、立即使用极限状态、生命安全极限状态和防止倒塌极限状态,如表3所示。表3中的4个极限破坏状态将结构的破
坏等级与结构的抗震性能水平联系起来,4个极限破坏状态对应于划分结构5个破坏等级的4个临界状态。这样就可以根据结构中主要承重构件的破坏状态,来定义结构的4个极限破坏状态,进而确定对应于不同极限状态的量化指标限值。
表3 极限破坏状态定义与对应量化性能指标限值
Table 3L i m it st a te def i n iti on and va lues of quan tit a ti ve i n dexes
极限破坏状态
正常使用立即使用
生命安全
防止倒塌
整体破坏状态描述
结构无破坏,对应于结构构件首次出现屈服
20%的承重构件发生轻微
破坏,需少量修理可继续使用,功能基本连续
约大于20%但小于60%的承重构件发生破坏,或20%构件发生严重破坏,其余为轻微破坏,结构刚度大幅度降低
约50%以上承重构件发生严重破坏,或者局部形成机构,建筑物不倒
楼层破坏状态描述
结构构件首次屈服
50%以下的承重构件发生轻微破坏,且不影响楼层承载力的提高,构件经过少量修复后可继续使用
梁铰侧移机构、柱铰侧移机构或者混合机构开始形成,且50%以下的构件严重破坏,其中20%以下的构件两端达到极限状态,还有一定的承载能力
梁铰侧移机构、柱铰侧移机构或者混合机构形成并发展,且50%以上的承重构件严重破坏,其中50%以下的构件两端达到极限状态,承载力开始下降。
量化指标限值LS1
LS2
LS3
LS4
3 算例分析
以是否考虑楼板组合作用的两个方钢管混凝土
(CFST )框架结构为例,首先采用本文提出的结构抗震性能水平限值的确定方法,求得量化指标限值;然后按照图1所示的步骤进行结构的概率地震需求分析;最后在这两者的基础上获得结构的地震易损性曲线。3.1 结构模型
研究对象为15层的CFST 框架结构,结构底层高4.5m ,其他层高均为3.6m ,总高54.9m ,结构平、立面
如图2所示。楼面及屋面均采用140mm 混凝土板,混凝土强度等级C30;横向钢梁截面为750mm ×300mm ×13mm ×24mm ,纵向钢梁截面为700mm ×300mm ×13mm ×24mm ,均为焊接工字钢,钢材均采用Q235钢。CFST 柱截面边长600mm ,采用Q345钢管与C40混凝
图2 结构布置图(单位:mm )
F i g .2 Layout of structures (un it:mm )
土,柱1～5层采用20mm 壁厚钢管,6～15层采用15mm 壁厚钢管。计算中楼面和屋面恒载均取为4.5k N /m 2
,活载均取为2.0kN /m 2
。由于结构的对称
性,将结构简化为平面模型,取第④轴线的一榀框架
进行分析。对于组合梁2方钢管混凝土柱(CB 2CFST )框架结构,按完全剪力连接设计,考虑楼板组合作用;对于钢梁2方钢管混凝土柱(S B 2CFST )框架结构不考虑楼板组合作用。
采用非线性结构分析软件S AP2000对结构进行Pushover 分析和弹塑性动力时程分析,其中混凝土板采用壳单元来模拟,梁、柱均采用梁单元来模拟。框架结构的非线性主要体现在梁和柱,采用集中塑性模型来模拟。对于Pushover 分析,框架梁仅考虑弯曲变形的非线性,采用单向弯曲的弯矩M3铰来模拟;框架柱考虑轴向和弯曲变形的非线性,同时考虑轴力和弯矩的相互作用,采用轴力2弯矩铰(P M 铰)来模拟构件的非线性行为。组合梁的弯矩2曲率曲线采用4折线
模型[13]
、CFST 柱的弯矩2曲率曲线及轴力2弯矩(N 2M )相关屈服曲线的确定方法可参考文献[14],钢梁采用两折线的弯矩2曲率骨架曲线。对于结构的弹塑性动力时程分析,CFST 柱采用Kine matic 滞回模型,组合梁采用多线性Takeda 塑性滞回模型[15]
。3.2 结构性能水平量化指标限值
对于多、高层框架结构来说,结构的变形比构件承载力能更好地反映结构整体的性能,因此本文选用
顶点位移角(T
θ)和层间位移角(S θ)作为量化指标建
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立结构破坏等级与性能水平的对应关系。
基于一阶模态的倒三角侧向力分布形式对结构进行Pushover 分析,然后根据本文定义的极限破坏状态来确定相应不同性能水平的量化指标限值。图3给出Pushover 分析得到的CB 2CFST 框架结构和S B 2CFST 框架结构基底剪力和顶点位移的关系曲线,从图中可以看出考虑楼板组合作用后,结构的承载能力和抗侧刚度有很大的提高。图3中两条曲线上的特征点分别对应结构整体破坏的4个极限状态,顶点位移角量化指标限值如表4所示
。
图3 结构能力曲线及性能水平定义
F i g .3 Capac ity curves &def i n iti on of perfor mance levels
表4 顶点位移角量化指标限值
Table 4Top 2storey 2dr i ft 2angles quan tit a ti ve i n dexes 性能水平
NO I O LF CP CB 2CFST 框架1/4221/1481/821/51S B 2CFST 框架
1/317
1/140
1/71
1/44
水平层间位移角限值采用如下方法确定[8,16]
,根据Pushover 分析的结果绘制每层层间位移角与层剪力的关系曲线,并将分析中构件的破坏状态相应地标记在曲线上,然后根据楼层的极限破坏状态来确定不同性能水平层间位移角的限值,选取最小的层间位移角限值作为结构整体性能水平层间位移角限值。比较分析结果发现,对两个结构均为第一层层间位移角限值最小,因此选取第一层作为关键层来定义结构整体性能水平层间位移角限值。对于梁、柱构件弹塑性变形性能采用屈服状态和极限状态来描述。
图4给出了两结构层间位移角限值确定的过程。其中图4(a )为结构底层层剪力和层间位移角的关系曲线,可以看出CB 2CFST 框架结构的层承载力和层抗侧刚度均高于S B 2CFST 框架结构。图中每条曲线上的特征点分别代表了相应结构构件达到的弹塑性变形状态,为了清楚表达,只给出具有代表性的点,图4(a )中特征点的文字标示分别与图4(b )、4(c )两结构构件状态的文字标示一致。图4(b )和4(c )分别给出
了底层构件塑性铰达到屈服和极限状态的先后顺序,图中字母Y 代表屈服,U 代表极限,数字代表塑性铰达到屈服和极限状态的先后顺序。根据结构底层梁、柱构件的状态,采用图4(a )中Y1点、Y2点、U3点和U6点对应的层间位移角作为结构不同性能水平限值,
由层间位移角定义的结构性能水平限值如表5所示
。
图4 基于楼层破坏状态结构层间位移角限值的确定
F i g .4 Structura l story 2dr i ft 2angle li m it ba sed on
story 2level damage st a te
表5 层间位移角量化指标限值
Table 5Storey 2dr i ft 2angles quan tit a ti ve i n dexes 性能水平NO I O LF CP CB 2CFST 框架1/3911/1221/481/28S B 2CFST 框架
1/314
1/116
1/43
1/27
对比表4和表5不同量化指标限值可以看出,两个结构不同性能水平的层间位移角限值均大于顶点位移角限值,这是与实际情况相符的。本文性能指标的确定是从结构本身承载的极限状态来考虑的,若要从业主和使用者的要求出发,如考虑舒适度,要求结构变形在一定的限值内,则对两个结构性能指标的限
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?值就是相同的。因此在基于性能的设计中,性能水平的定义也可以根据业主要求的不同进行适当的调整。3.3 结构的概率地震需求分析3.3.1 结构2地震动样本生成结构在地震作用下反应也即需求的随机性主要与地震动的不确定性和结构本身的不确定性有关。采用台湾集集地震中实际记录到的10条近场强震记录和6条其他地区的实际地震记录作为地震动输入,其中震中距为7.1～71.9km ,峰值加速度为1.6～4.2m /s 2
。图5给出了阻尼比为5%的16条地震记录
的弹性加速度反应谱,为了便于比较将反应谱加速度
在结构的基本周期(T 1)按比例调整为1.0g ,反应谱的离散性反映了地震动的偶然不确定性
。
图5 地震波反应谱
F i g .5 Respon se spectra of ground m oti on records
结构本身的不确定性主要与建筑材料的不确定性有关,即与钢材和混凝土的变异性有关。对于梁、
柱及楼板材料强度随机变量的概率分布类型见表6。
对这4个随机变量采用拉丁超立方抽样的方法[17]
,抽出10个样本。然后4组随机变量样本按照随机方式进行排序,形成10个有限元计算的样本组合。对所选择的16条地震波的每一条波的峰值加速度均按比例调整为0.05g 、0.1g 、0.2g 、0.3g 、0.4g 、0.5g 、0.6g 、0.7g,然后分别赋给10个结构样本,这样对两个结构均形成了1280个结构2地震动计算样本。
表6 随机变量统计信息
Table 6 St a tisti ca l i n for ma ti on of rando m var i a bles 项目平均值(MPa )
变异系数
分布类型柱钢材f y 389.900.07对数正态分布梁钢材f y 270.610.08对数正态分布柱混凝土f c 33.390.12正态分布板混凝土f c
26.11
0.14
正态分布
3.3.2 结构的概率地震需求分析
对结构2地震动样本进行弹塑性动力时程分析,得到以峰值加速度(PGA )为变量的结构最大顶点位移角(Max .T θ)和最大层间位移角(Max .S θ)数据点,如图6所示。其中图6(a )、6(c )和图6(b )、6(d )分别为CB 2CFST 框架结和S B 2CFST 框架结构最大顶点位移
角和最大层间位移角的数据分布图。图6中每幅图的每个点均代表一个结构2地震动样本非线性动力时程分析得到的结构反应,共1280个数据点。图中每列竖向数据点为相同PG A 下结构的反应,水平虚线从下向上依次代表了结构不同性能水平限值LS1、LS2、LS3和LS4,具体取值与表4和表5中结构的量化指标限值相对应。这些代表结构不同性能水平的虚线也是结构不同破坏等级的分界线,从下到上依次将样本的破坏状态划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌5个等级。从图中可以看出S B 2CFST 框架结构的地震位移反应总体上要大于CB 2CFST 框架结构,但两个结构数据点的离散性相差不大。基于文献[18]的研究成果并对相同PGA 下结构需求样本数据
进行统计分析,得到样本在相同PG A 地震波作用下结
构最大顶点位移角和最大层间位移角服从对数正态分布,因此研究中结构的地震需求u (通用表达包括最大顶点位移角和最大层间位移角)的概率密度函数用对数正态分布函数表示,此函数由结构的需求对数均值μln u 和对数标准差σln u 来定义,即:
u =L n (μln u ,σln u )
(1)
对非线性时程分析得到的结构最大顶点位移角
(Max .T θ)和最大层间位移角(Max .S
θ)进行统计分析得到对应不同PG A 的均值和变异系数,如表7
所示。
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图6 结构需求与PGA 的关系
F i g .6 Rel a ti on sh i ps between structura l demand and PGA
表7 结构需求统计信息
Table 7St a tisti ca l i n for ma ti on of structura l respon se
PG A (g )
0.050.10.20.30.40.50.60.7Max .T θ均值(%)
0.0950.1890.3650.5300.6910.852 1.006 1.159CB 2CFST 框架
变异系数
0.5630.5490.4760.4330.4110.4220.4320.443Max .S θ均值(%)
0.1580.3150.6190.910 1.196 1.461 1.717 1.975变异系数0.4490.4380.3990.3560.3510.3410.3360.336Max .T θ均值(%)
0.1050.2090.4110.5910.7700.944 1.107 1.269S B 2CFST 框架
变异系数
0.4930.4910.4640.4090.3940.4110.4430.481Max .S θ均值(%)
0.1680.3350.6690.986 1.320 1.641 1.955 2.266变异系数
0.407
0.405
0.400
0.365
0.364
0.369
0.383
0.402
图7 结构地震反应的对数正态分布概率密度函数(PGA =0.4g )
F i g .7 P D F of lognorma l d istr i buti on s for structura l se is m i c respon se (PGA =0.4g )
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? 图7给出PG A 为0.4g 时,CB 2CFST 框架结构和S B 2CFST 框架结构地震需求的对数概率密度函数。图中的竖向虚线对应于结构不同的性能水平,其将概率密度函数与横坐标间的面积划分为:基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌5个区域。从图7中可以看出在PG A 为0.4g 时,无论采用那个量化指标对于两个结构来说,结构反应对于LS1限值的超越概率均很大,而对于LS3限值的超越概率均很小,也即在此强度地震作用下,结构保持基本完好和发生严重破坏的概率均很小。对比图6和图7可以看出,在图6中PGA 为0.4g 时,结构地震反应的数据点大部分都集中在LS1～LS3之间,两者结果是一致的。3.4 易损性曲线的形成
结构的易损性曲线表示在不同强度地震作用下结构需求超过特定破坏状态的概率。根据本文对结构性能水平的定义和结构地震需求的概率分布,可以由式(2)求得不同
PG A 下结构需求u 超过限值LS i 的
概率P (u |PGA >LS i )
P (u |PGA >LS i )=1-Φ(
ln (LS i )-u ln u|PGA
σln u|PGA
)
(2)
式中:u ln u|PGA 和σln u|PGA 表示加速度为PGA 时,结构需求的对数均值和对数标准差,由数据的统计分析得到;LS i 表示对应于结构4个性能水平的量化指标限值,由表3和表4确定,i =1～4;Φ(?)为标准正态分布函数。
采用上述方法,得到以顶点位移角和层间位移角表示的CB 2CFST 框架结构和S B 2CFST 框架结构的地震易损性曲线,分别如图8和图9所示。其中图8(a )和图9(a )均是以顶点位移角作为量化指标,图8(b )和图9(b )均是以层间位移角作为量化指标,图中横坐标表示地震动的大小,以PGA 表示,纵坐标表示地震作用下结构需求超越不同性能水平的概率。
从图8和图9中可以看出,随着结构从基本完好状态发展到倒塌状态,易损性曲线逐渐变得扁平。分别对比图8和图9的(a )图和(b )图,可以看出采用不同量化指标对结构地震易损性曲线的形状影响较大。采用层间位移角作为量化指标,结构在不同性能水平下的超越概率总体上大于采用顶点位移角作为量化
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指标的结构的超越概率。因此采用结构层间位移角作为量化指标来评估框架结构的地震易损性能较采用顶点位移角作为量化指标更加合理、可靠,且由于概念简单、应用方便,并且能较好地反映结构的性能水平,目前在实际工程中应用较多
。
图10 CFST 框架结构地震易损性曲线比较
F i g .10 Com par ison of frag ility curves of CFST fram es
图10给出了两个结构基于层间位移角量化指标的易损曲线比较,从图中可以看出CB 2CFST 框架结构在正常使用(NO )性能水平的超越概率略大于未考虑组合作用的S B 2CFST 框架结构,在其他性能水平的超越概率总体上要小于S B 2CFST 框架结构。由前面的分析可知,在相同强度地震作用下CB 2CFST 框架结构地震反应的均值小于S B 2CFST 框架,且其性能水平限值也小于S B 2CFST 框架结构,这就可能出现超越概率大于或小于S B 2CFST 框架结构的情况。
从受力性能上看,组合梁负弯矩区段的屈服承载力远远小于正弯矩区段,且相对于钢梁的屈服承载力提高很小,但抗弯刚度提高较大;对于组合梁负弯矩的屈服状态对应于混凝土翼板内上部钢筋开始屈服时状态,对于钢梁则对应于钢梁上翼缘屈服时的状态。正常使用(NO )性能水平是结构基本完好阶段的极限破坏状态,对应于结构中构件首次出现屈服的状态,也是划分基本完好阶段和轻微破坏阶段的临界状态。因此可以认为结构在基本完好阶段处于弹性工作状态,弹性阶段在相同强度地震作用下,CB 2CFST 框架结构因为整体刚度增大,地震作用力要大于S B 2CFST 框架结构,而组合梁因为刚度的提高从而使梁上分配的弯矩大于钢梁,而其负弯矩区的屈服承载力提高很小,这就使得在正常使用(NO )性能水平下组合梁端负弯矩区先于钢梁屈服,也即CB 2CFST 框架结构发生轻微破坏的概率大于S B 2CFST 框架结构。结构进入弹塑性阶段后,CB 2CFST 框架结构的承载力远大于S B 2CFST 框架结构,因此在相同强度地震作用下,CB 2CFST 框架结构的倒塌概率要小于S B 2CFST 框架
结构。
由以上分析可知,考虑楼板组合作用的CB 2CFST 框架结构与不考虑楼板组合作用的S B 2CFST 框架结构相比,在不同的性能水平下,结构的易损性并不是都优于S B 2CFST 框架结构。因此不能单纯的认为将组合梁作为钢梁来考虑,任何情况下均偏于安全。
4 结 论
本文给出了一种基于性能的结构地震易损性分析方法。定义了结构整体和楼层的4个极限破坏状态,提出了基于结构极限破坏状态确定结构抗震性能水平限值的方法。对两个不同类型的方钢管混凝土框架结构进行了地震易损性分析,并对结构的易损性
能进行了评估和分析。基于结构的地震易损性曲线,可以给出该类结构在给定地震作用下结构的破坏概率,从而为地震灾害的损失评估提供依据。且根据一个地区该类结构的地震易损性曲线,就可以形成区域系统的地震易损性矩阵,用于地区的防震减灾规划。
由于篇幅限制,本文仅选用了PGA 作为地震动参数来表达结构反应和易损性曲线,也可以采用结构基本周期对应的加速度反应谱和位移反应谱等作为地震动参数对结构的易损性进行研究,以求找到一个更合适的地震动参数,既有普遍的适用性而且结构反应数据的离散性较小,这需要开展进一步的研究工作。
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刘晶波(1956-),男,博士,教授。主要从事结构抗震和防灾减灾研究。 刘阳冰(1979-),女,博士研究生。主要从事结构抗震研究。
闫秋实(1983-),男,博士研究生。主要从事结构抗爆研究。
韩 强(1974-),男,博士,助理研究员。主要从事工程抗震研究。
网壳结构的概率地震易损性分析
网壳结构的概率地震易损性分析 网壳结构作为大跨度空间网格结构的主要结构形式之一,被广泛应用于综合文体中心、大型交通枢纽车站及航站楼、集群式工业厂房等基础设施。我国地震灾害严重,量大面广的网壳结构面临着严重的地震威胁。 大跨度空间结构一旦发生破坏或倒塌,将造成严重的人员伤亡、经济损失或社会影响。我国现行抗震设计规范采用多级设计的思想,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”,其实质是性能化设计的雏形,但该设计思想不能考虑到中小地震时结构或非结构构件的破坏程度及由此导致的经济损失,远远不能满足社会和公众对结构抗震性能的需求。 本文以基于性能的多水准化抗震设计及地震风险评估为研究背景,对典型的大跨度空间网格结构——单层球面网壳和单层柱面网壳进行地震易损性分析,一方面可为网壳结构的多水准性能化设计奠定理论基础,另一方面则为地震灾害损失的快速预测与评估及地震巨灾保险制度的实施提供技术支持。具体来说,本文的研究工作如下:（1）以平均模态应变能系数作为振型贡献指标,将其值大于0.01的振型定义为网壳结构线弹性地震响应的主导振型。 以20条真实地震动记录作为输入,分别考虑4种地震动输入情况:仅X向、仅Y向、仅Z向和三向地震动同时输入,对单层球面网壳和单层柱面网壳的主导振型进行识别。在此基础上,采用振型分解反应谱法和CQC振型组合方法计算网壳结构仅考虑主导振型、前30阶及前250阶振型三种情况的地震效应组合值,并将其与时程分析结果进行对比,以验证该识别方法的可行性。 （2）基于网壳结构的主导振型,提出了可同时考虑更多结构自振特性和地震动频谱成分的地震动强度参数Sa,dom
（T1d,T2d,...,Tid,...TNd,（ζ））（简记为Sa,dom）,该地震动强度参数表示为结构各主导振型对应地震动加速度反应谱值的几何加权 平均数,其中各阶主导振型的平均模态应变能系数作为相应的权值。选取了11 个常见的地震动强度参数,从与网壳结构非线性地震响应的相关性、有效性、充分性等方面与本文提出的地震动强度参数进行综合对比,并对Sa,dom 的地震危 险可计算性进行了讨论。 （3）确定了网壳结构地震易损性分析中历史地震动记录的选取原则及合理输入数目,并从太平洋地震工程研究中心“下一代衰减模型”强震数据库中选取了 40条远场地震动记录来考虑易损性分析中的地震动不确定性。总结了网壳结构有限元建模中13个随机参数的概率分布模型,并通过单参数敏感性分析获得 了表征13个随机参数敏感性大小的“龙卷风图”。 在此基础上,采用Sobol’法和拉丁超立方抽样方法对5个主要的随机参数 进行了全局敏感性分析,获得了 5个参数各自对结构响应的贡献率。（4）从结构滞回耗能的角度出发,提出了基于地震能量需求的结构损伤指标DIE,该指标定 义为地震能量需求与结构耗能能力的比值,其中地震能量需求即为结构在地震过程中的总滞回耗能,可通过对结构的加速度响应时程进行连续小波变换等效获得。 以高效的拉丁超立方抽样方法对5个主要的结构随机参数进行抽样,以40 条远场地震动作为输入,对18个不同矢跨比及屋面质量的单层球面网壳和单层 柱面网壳的720个随机样本进行动力荷载域全过程分析,对分析结果进行统计, 基于损伤指标DIE建立了不同网壳结构的概率地震需求模型、概率抗震能力模型和概率倒塌能力模型,并获得了网壳结构不同性能水准的地震易损性曲线。（5）
相关高性能混凝土方面的问题
高性能混凝土 简介 高性能混凝土（High performance concrete,简称HPC）是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。 定义 1950年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。但是到目前为止，各国对高性能混凝土提出的要求和涵义完全不同。 美国的工程技术人员认为：高性能混凝土是一种易于浇注、捣实、不离析，能长期保持高强、韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长的混凝土。美国混凝土协会认为：此种混凝土并不一定需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa以上，需要具有很高的抗化学腐蚀性或其他一些性能。 日本工程技术人员则认为，高性能混凝土是一种具有高填充能力的的混凝土，在新拌阶段不需要振捣就能完善浇注；在水化、硬化的早期阶段很少产生有水化热或干缩等因素而形成的裂缝；在硬化后具有足够的强度和耐久性。 加拿大的工程技术人员认为，高性能混凝土是一种具有高弹性模量、高密度、低渗透性和高抗腐蚀能力的混凝土。 综合各国对高性能混凝土的要求，可以认为，高性能混凝土具有高抗渗性（高耐久性的关键性能）；高体积稳定性（低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量）；适当的高抗压强度；良好的施工性（高流动性、高粘聚性、自密实性）。 中国在《高性能混凝土应用技术规程》（CECS207-2006）对高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。 高性能混凝土的技术路线 高性能混凝土是由高强混凝土发展而来的，但高性能混凝土对混凝土技术性能的要求比高强混凝土更多、更广乏，高性能混凝土的发展一般可分为三个阶段：
钢管混凝土抗震
四、组合框架一剪力墙体系 4.1钢管混凝土框架结构抗震性能分析 钢管混凝土柱是在钢管中填充混凝土后形成的一种受力构件，这种构件是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土以及钢结构的基础上演变和发展起来的框架的承载能力、变形特征、耗能能力进行了分析，并与钢筋混凝土框架结构进行对比，以期使钢管混凝土框架结构在工程实践中得到较为广泛的应用一种新型结构构件。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用和核心混凝土增强管壁的稳定作用，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，避免或延缓了钢管发生局部屈曲，从而可以保证两种材料性能的充分发挥。另外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，与钢筋混凝土相比，可节省模板费用，加快施工速度。到目前为止，对钢管混凝土的研究大都局限于对构件的受力性能研究，而对钢管混框架的承载能力、变形特征、耗能能力进行了分析，并与钢筋混凝土框架结构进行对比，以期使钢管混凝土框架结构在工程实践中得到较为广泛的应用。 闫洋、王震霞从结构整体工作性能的角度出发，在试验的基础上对单层钢管混凝土框架模型进行了低周往复加载试验，通过对试验结果和破坏形态的分析得出钢管混凝土框架的骨架曲线，并对变形和耗能进行了理论分析，理论和试验结果基本上是吻合的。
图一 其试验的两榀框架( 图 1) 均为弯曲型破坏。试件的破坏过程为：加载一侧的框架柱脚外边缘纤维首先达到屈服，然后在柱根内外侧及梁端的上下边缘几乎同时出现屈服点，此时框架已达到整体屈服，但整个框架并未出现普通钢筋混凝土框架易产生的刚度退化现象，试件承载力随着变形的增加而继续增加。 从加载开始至试件破坏有明显的特点：钢管混凝土框架达到整体屈服后，承载能力还可以进一步提高，表明在结构屈服后截面应力及结构内力发生重新分布，结构仍有承载能力。结构的破坏以梁的破坏为标志，虽然柱脚个别点的材料屈服早于梁的屈框架结构的钢管柱。但在这些点出现之后，结构的变形仍为小变形。 通过分析计算得出当钢管混凝土框架结构与钢筋混凝土框架结构当柱的直径相等、长细比相同时，钢管混凝土框架结构的各控制位移值大于钢筋混凝土框架结构的对应位移; 钢管混凝土结构的位移延性系数和弹性抗侧刚度均比钢筋 混凝土结构的大。由此可得出，钢管混凝土框架结构的抗震能力与抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构。 ( 1) 试验得出的钢管混凝土 p- s 滞回曲线均较饱满，这充分说明钢管混凝土框架结构有很好的耗能能力。在破坏阶段，虽然钢梁出现屈服甚至屈曲，但由于钢管混凝土柱有较强的抗侧刚度和良好变形。 ( 2)整个结构的 p- $曲线无下降段，具有较强构的屈服荷载大于钢筋混凝土结构的屈荷载。说明钢管混凝土框架结构较钢筋混凝土框架结构的抗震性能好、抗震能力强。
高性能混凝土论文
试论高性能混凝土 姓名:*** 学院:＊****＊＊**＊＊* 学号：***＊****＊*
摘要 , 高性能混凝土是一种是以耐久性为主要指标同时具备高强、高早强、高施工性等优异性能的新型混凝土。应该通过制备的科学性以及提高浇筑、捣实等施工方法和工艺来提高混凝土的高施工性、高强度和体积稳定性从而提高道路桥梁的使用寿命和整体经济效益。 The high-ｐerｆormance concrｅte is ｂasｅd on duraｂility as the main inｄicatｏrs, ａlonｇｗiｔh hｉgｈsｔrｅｎgｔｈ，high early strength, high ｗｏrkability anｄeｘcｅllent ｐerｆoｒｍancｅoｆnew concｒeｔe．Through the prepａration ｏｆthe ｓcientific and improve ｔhe castiｎg, to trａｃe the actuaｌｃonｓtructｉon methods anｄprocess to imｐｒｏve conｃrｅte constｒuction，ｈｉgh ｓtrenｇtｈaｎd volumｅsｔabilitｙ, therｅbｙenhancing thｅｌife aｎd ｔhe oｖeｒall econｏmicｂｅnｅfitｓof roads and bridｇes. 关键字：高强、高性能混凝土 1 高性能混凝土的定义 高性能混凝土（HigｈPｅrｆormａnce Conｃｒete,简称HPC)是在高强度混凝土（Ｈｉgh Sｔｒength Concｒetｅ，简称HＳC）的基础上发展起来的。在不同国家,甚至是同一国家的不同应用部门，对高性能混凝土的定义都有差别。美国和加拿大的学者认为高性能混凝土应该是高耐久性的，而不仅仅是高强度；除了强度之外，高耐久性还应包括高的体积稳定性、低渗透性和高工作性。日本学者更重视混凝土的工作性,认为高流态、免振自密实混凝土就是高性能混凝土。英国和北美学者则更重视混凝土的强度。 综合分析各种观点，我国学者提出:高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代(先进的预拌)混凝土技术,选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土。高性能混凝土应具有几种性能：耐久性、工作性及各种力学性能。 但目前,高性能混凝土的概念又有了新的变化，清华大学冯乃谦教授提出普通混凝土也可能高性能化，其研究成果在工程实际中也得到了应用。因此,高性能混凝土并不一定强调高强,还包括普通混凝土的高性能化。 2 高性能混凝土产生的背景 传统的混凝土虽然已有近200 年的历史，也经历了几次大的飞跃,但今天却面临着前所未有的严峻挑战: (1)随着现代科学技术和生产的发展,各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。 这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难,因此要求混凝土不但施工性能要好,尽量在浇筑时不产生缺陷，更要耐久性好,使用寿命长。 （２) 进入20世纪7０年代以来，不少工业发达国家正面临一些钢筋混凝土 结构，特别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题，需要投入巨资进行维修或更新。1987 年美国国家材料咨询局的一份政府报告指出：在美国当时的57．5
钢管混凝土结构抗震性能
南昌大学研究生2015～2016学年第二学期期末 读书报告 课程名称：混凝结构理论与应用专业：建筑与土木工程 学生姓名：李海学号：4160146150 学院：建筑工程学院得分： 任课教师：熊进刚时间：2016年6月
钢管混凝土结构抗震性能研究 摘要: 介绍了钢管混凝土组合结构的特点，综述了国内外钢管混凝土结构的抗震性能的研究现状; 分析了其存在的问题和实用价值，展望了钢管混凝土结构发展趋势和应用前景; 指出了进一步研究的方向。 关键词: 组合结构; 钢管混凝土结构; 抗震性能; 工程应用 Abstract:This paper presents the characteristics of steel concrete composite structures, review the status of research on seismic behavior of domestic and foreign steel concrete structure; analyzes the problems and practical value, the prospect of the development trend of steel and concrete structures prospects; points out further research direction. Keywords:composite structure; steel concrete structure; seismic performance; engineering applications 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土、螺旋配筋混凝土和钢管结构的基础上演变和发展起来的，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改
地震危险性概率分析计算方法简介
地震危险性概率分析计算方法简介 1.地震统计单元—地震带对场点的地震危险性贡献 设有N 个地震带对场点地震危险性有贡献，而第n 个地震带在点的某地震动年超越概为P n （Z ≥z ），则场点总的年超越概率为： ∏=≥=≥N 1 n z n -1-1z ）） （（）（Z P Z P 式中，Z 为地震动参数；z 为给定的地震动参数。 地震带是地震活动性分析的基本单元，它应具有统计上的完整性和地震活动的一致性。考虑某一地震带，其地震时间过程符合泊松过程，在T 年内的4级以上地震年平均发生率为v 则有： VT K K VT P -k e ! )(= 其中P k 为该地震带内未来T 年内发生K 次地震的概率。 地震带内大小地震的比例遵从修正的Gutenberg-Richter 震级—频度关系，相应的震级概率密度函数为： ()[]()[]οοβββ M M M M M f u -----=exp 1exp )(m 其中，β为地震带b 值的2.3倍，M u 为地震带的震级上限。 2.地震带内潜在震源区的地震危险性分析 假定在每一个地震带的各个潜在震源区内，地震活动水平和强度的分布是相对均匀的。潜在震源区的地震空间分布系数是与震级有关的，记为f l,mj ,其物理含义为发生一次震级为m j ± 0.5△m 的地震的条件下，次地震落在第l 个潜在震源区的概率。该分布系数可反映地震带内地震空间分布的非均匀性，对指定震级档，此分布系数在整个地震带内是归一的。即对不同震级档有： 1 =∑=S N 1 l j m ,l f 其中，N s 为地震带内能够发生m j ± 0.5△m 级地震的潜源区总数。 根据泊松分布模型和全概率定理，一个地震带所发生的地震在场点所产生的地震动Z ()()??? ? ??????≥?--=≥∑???∑==S m j N l N j l l m l j dxdyd f z Z P S f m P v z Z P 11,E |)(exp 1)(θθ
浅谈高性能混凝土耐久性的特点及应用
浅谈高性能混凝土耐久性的特点及应用 发表时间：2017-12-11T15:56:24.677Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第19期作者：刘颜峰 [导读] 通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。 齐鲁交通发展集团有限公司德州分公司山东省德州市 253000 摘要：高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。 关键词：混凝土；耐久性；应用；控制措施 从去年在105国道到现在聊城路网改建，接触高性能混凝土也有两年时间了，对高性能混凝土耐久性有点皮毛认识。 高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。具体是： 1)拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析，在减河大桥40米箱梁混凝土坍落度180-220mm，便于浇筑密实； 2)在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小； 3)有很高的抗渗性。其中高工作性是高性能混凝土必须具备的首要条件，即高流动性、高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性；并同时具备低成本的技术经济合理性。高性能混凝土具有很丰富的技术内容，其核心是保证耐久性。 1混凝土工程耐久性不足的后果 混凝土工程因其工程量浩大，将会因耐久性不足对未来社会造成极为沉重的负担。据我从网上搜索的资料美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3,000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修。 美国对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30-50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%-50%以上。中国50-60年代所建设的混凝土工程已使用40余年，如果我国混凝土工程的平均寿命按30-50年计，在今后的10-30年内，为了维修建国以来所建基础设施的费用，将是极其巨大的。 目前，我国的基础设施建设工程规模宏大，每年高达２万亿元人民币以上，约30-50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费或重建费将更为巨大。作为21世纪的高性能混凝土，更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。 2影响混凝土耐久性的主要因素 一般混凝土工程的使用年限约为50-100年，不少工程在使用10-20年后，有的甚至使用9年以后，即需要维修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性(超耐久)要求的根本原因，在于混凝土本身的内部结构。 首先，为满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的25%-40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足。 其次，水泥石中的水化物稳定性不足。水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在水化物中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低，稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。 3提高混凝土耐久性的技术途径 如前分析，要提高混凝土的耐久性，必须降低混凝土的孔隙率，特别是毛细管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但是如果纯粹的降低用水量，混凝土的工作性将随之降低，又会导致捣实成型工作困难，同样造成混凝土结构不致密，甚至出现蜂窝等宏观缺陷，不但混凝土强度降低，而且混凝土的耐久性也同时降低。目前减少孔隙率的途径往往是掺入高效减水剂。 3.1掺入高效减水剂 在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后，减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。 3.2掺入高效活性矿物掺料 普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性二氧化硅及活性三氧化二铝，它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应，生成强度更高，稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的。有些超细矿物掺料，其平均粒径小于水泥粒子的平均粒径，能填充于水泥粒子之间的空隙中，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。 3.3消除混凝土自身的结构破坏因素 除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化热过性过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱集料反应等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、硅酸、氯离子等可以引起结构破坏和钢筋蚀物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，提高混凝土的耐久性。 3.4保证混凝土的强度 尽管强度与耐久性是不同概念，但又密切相关，它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构，都与水灰比这个因素直接相关。在混
钢管混凝土剪力墙抗震性能研究综述
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6715778325.html, 钢管混凝土剪力墙抗震性能研究综述 作者：齐红甲 来源：《中国科技纵横》2013年第03期 【摘要】本文对钢管混凝土边框剪力墙的抗震性能进行了研究，阐述了国内外对该类型剪力墙的研究方法和研究成果，并提出当前钢管混凝土剪力墙研究中存在的一些问题。 【关键词】钢管混凝土剪力墙抗震刚度延性 随着国民经济的高速增长，我国高层建筑和超高层建筑也越来越多，其结构形式也越来越复杂。研制抗震性能好的剪力墙是高层建筑抗震设计的关键技术。 1 综述背景 为克服钢筋混凝土剪力墙在工作中的缺点，提高其抗震能力，国内外学者针对钢筋混凝土剪力墙进行了许多研究。其中，开缝剪力墙主要包括：同济大学吕西林提出的填充氯丁橡胶带的带缝剪力墙[1]；东南大学李爱群提出的采用摩阻式控制装置的带缝剪力墙[2]；清华大学叶列平提出的双功能带缝剪力墙[3]。研究资料表明带缝剪力墙在一定程度上影响了墙的整体性 和受力性能。 1905年日本建造了第一个采用型钢混凝土柱的结构，1950年后，日本主要研究了型钢混凝土（SRC）梁的抗弯性能、SRC柱的偏压性能、SRC梁和柱的剪切性能、SRC梁柱节点抗 剪性能及钢管与混凝土的黏结性能等[4]。我国从20世纪50年代开始应用SRC结构，近年来日渐增多[5][6]。90年代初清华大学对SRC剪力墙进行了抗弯性能试验研究[7]，随后国内外进行了许多研究[8]，研究表明：采用钢-混凝土组合剪力墙能够控制剪力墙中裂缝的发展，形成较完备的耗能机制，起到了良好的二道设防作用，使结构的抗震能力明显提高。 2 国内外研究现状 文献[9]对不同混凝土强度等级，不同轴压比，不同剪跨比，不同强弱抗剪连接键等设计 参数的矩形钢管混凝土边框组合剪力墙的抗震性能进行了研究。研究表明：组合剪力墙及筒体可有效地将混凝土剪力墙侧向刚度和承载力大的优势与钢管混凝土柱抗震延性好的优势组合，钢管混凝土边框柱与混凝土剪力墙之间的抗剪连接键能可靠工作，工程应用效果良好。 文献[10]研究了钢管混凝土边框剪力墙抗震性能，对不同轴压比、不同强弱抗剪连接键的矩形钢管混凝土边框剪力墙进行了低周反复荷载下的抗震性能试验研究。研究表明这种剪力墙可有效地组合混凝土剪力墙与钢管混凝土边框柱的优势，抗震效果良好。 文献[11]对矩形钢管混凝土柱带框剪力墙用SAP2000软件做了有限元的弹性分析。该研究认为《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS159）[12]中将作用于带框混凝土剪力墙的整体
高性能混凝土与普通混凝土的差别
高性能混凝土与普通混凝土的差别 一、理念上的差别 共性: ◇高性能混凝土本质上与普通混凝土没有很大差别 高性能混凝土为一种新型高技术混凝土,就是对普通砼某些性能上的优化,就是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土,就是以耐久性作为设计的主要目标,针对不同用途的要求,对下列性能有重点的加以保证:耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性与经济性。 ◇使用的原材料仍然为水泥、砂、石、外加剂,但对各性能指标要求更严。 ◇生产工艺过程在宏观上与普通混凝土一致 不同点: ◇在普通混凝土基础上掺加大量活性混合材,养护水平要求高。 高性能混凝土就是满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。采用普通的组分材料与通常的搅拌、浇注与养护操作,未必能日常生产这种混凝土。高性能混凝土的特性,就是针对一定的应用与环境所要求的。例如:易于浇注、早期强度、水化热、体积稳定性、可捣实不离析、长期力学性质、密度、韧性、在服务环境中运行寿命长久。因此在施工过程中要掺大量活性混合材以改善上述性能。活性混合材掺量提高了,相应的养护工艺也要提高。 ◇对施工单位的管理水平要求高 高性能混凝土的施工过程控制要严格按ISO9001标准要求运行。 ◇许多对普通混凝土不敏感的因素变得敏感了 高性能混凝土对原材料、配合比、生产搅拌运输工艺、养护方式等十分严格,按普通混凝土的生产理念远远不能适应要求。 二、原材料选用上的差别 1.水泥 水泥应采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥中掺与料只能就是粉煤灰或高炉矿渣。 a 不用早强型水泥 b 不用立窑水泥 c 不要选用C3A含量高的水泥 d 尽量选用低碱水泥 2、砂
高层结构易损性简述
结构易损性简述 余佳骏 (南京理工大学理学院，南京 210094） 摘要：与地震危险性分析的研究相比,承灾体的地震易损性分析,尤其是土木工程结构的地震易损性分析方面的研究还远没有成熟;另外,地震灾害的损失评估也受到了工程界与经济界学者的共同关注,目前这两个分支学科正处于蓬勃的发展过程中。本文对结构易损性的概念和分析方法进行了简单介绍，并系统地提出了框剪结构分析方法和其易损性曲线的形成。 关键词：易损性;地震风险分析;易损性曲线;框架结构 A Brief Introduction to Structural Vulnerability YU Jiajun (College of Science, NUST, Nanjing 210094) Abstract:Compared with the study of seismic hazard analysis, the seismic vulnerability analysis of hazard bearing bodies, especially the study of seismic vulnerability analysis for civil engineering structures are also far away from mature; In addition, the assessment of the loss of earthquake disaster has been a common concern of engineering and economic scholars, the two branch is in the process of developing the vigorous. In this paper, the concept and analysis method of structural vulnerability was introduced, and put forward the formation of frame shear wall structure analysis and its vulnerability curve. Keywords:Seismic vulnerability; risk analysis; fragility curve; frame structure 引言 地震是自然灾害中危害最大的灾种之一，地震预测预报是世界性难题，因此对地震灾害进行风险分析已成为目前主要的防灾和减灾措施。地震灾害的风险分析主要包括 3 个方面：地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失估计。其中，地震易损性分析是预测结构在不同等级的地震作用下发生各级破坏的概率。因此，对建筑物进行易损性分析一方面可以用于震前灾害预测，设计人员可以根据结构易损性的不同，有针对性地提高结构的抗震能力；另一方面可以用于震后损失评估，为估计地震损失提供依据，从而尽可能避免或减少人员伤亡，实现我国防震减灾的目标。 1 研究背景 灾害风险分析是指对灾害发生的可能性和造成的后果进行定性与定量的分析及评估,其目的是为风险区土地的合理利用与投资、灾害预防与管理、灾害保险制度的建立、城市与工程的防灾减灾以及灾期的快速评估和辅助决策提供科学依据[1-3]。 灾害风险分析主要包括致灾因子的危险性分析、承灾体的易损性分析和灾情损失评估三个方面的内容。致灾因子的危险性分析主要研究给定区域内发生各种强度灾害的概率;承灾体的易损性分析是研究承灾体易于受到致灾因子的破坏、伤害或损伤的可能性;灾情损失评估是在危险性分析和易损性分析的基础上,研究风险区内一定时段内可能发生的一系列不同强度灾害给风险区造成的可能后果和经济损失值[1-3]。 地震是自然灾害中危害最严重的灾害之一,由于地震预测预报是世界性难题,因此对地震灾
地震安全性评价报告编写要求
v1.0 可编辑可修改 工程场地地震安全性评价工作 报告编写要求 目录 I 报告编写的一般要求 1．总则 2．报告文字要求 3．报告图件要求 4．报告表格要求 5．符号及单位的使用 6．公式使用 7．术语使用 8．参考文献、资料、图件等的引用 Ⅱ报告编写内容与格式的要求 A．封面 B．扉页 C．目录 D．前言 1．技术思路 2．地震活动性 地震资料 区域地震活动时空特征分析 现代构造应力场 历史地震影响 近场小震活动 3．地震地质背景 区域地质构造背景 区域地震区、带
v1.0 可编辑可修改近场和场区活动构造 4．地震烈度及地震动衰减关系 地震烈度衰减关系 地震动衰减关系 5．确定性方法对场址地震危险性的评价 地震构造法 历史地震法 确定性方法对场址地震危险性的评价结果 6．概率分析方法对场址地震危险性的评价 地震危险性概率分析方法概述 潜在震源区划分 地震活动性参数的确定 地震危险性的概率计算 概率分析方法对场址地震危险性的评价结果 7．场地地震动参数的确定或地震动小区划 场地条件 场地地震反应分析模型及其参数确定 输入地震动参数的确定 场地地震反应计算与场地地震相关反应谱 场地地震动参数的确定或地震动小区划 8．地震地质灾害评价或地震地质灾害小区划 与场地地震地质灾害有关的工程地震条件勘察 场地地震地质灾害评价 地震地质灾害小区划 9．结论和建议 地震环境评价 场地工程地质条件评价
场地地震安全性评价 地震地质灾害评价 地震小区划 使用建议 I 报告编写的一般要求 1．总则 为配合《工程场地地震安全性评价工作规范(DB001－94）》的实施，使工程场地地震安全性评价工作报告编写规范化，并且更加符合评审及工程使用的需要，特制定本要求。 本要求适用于对工作规范《工程场地地震安全性评价工作规范(DB001－94）》中规定的4个等级工程所进行的地震安全性评价工作(不包括区域性地震区划)的最终报告的编写。 在编写最终报告时，其内容和格式必须符合本要求，不应增加或减少陈述的内容，但对于本要求没有包括而实际工作大纲要求进行的有关工作，可以增加相应的陈述内容。 本要求的章节条款顺序，是对最终报告的建议模式。实际报告章节安评。应在本要求的基础上，根据工程场地地震安全性评价实际工作大纲的要求和编写者的论证思路来编排。 2 报告文字要求 报告文字安排 2.1.1 叙述应条理清晰，行文流畅，章节安排符合地震安全性评价的论证思路。 2.1.2 论述理论与方法时，如本次工作采用的理论或方法系引用其他研究者的已有成果，则论述应从简但必须给出相关的引用参考文献；如采用的理论或方法系本次工作提出的新成果，则应在正文中(或以附件形式)详细给出理论阐述或对方法的原理及工作步骤的论述，可能的情况下应与现行方法进行比较并给出比较的结论。 2.1.3 对本次工作所采用的数据或资料进行论述时，如系引用现有的数据或资料，本次工作未有任何新的改动和补充，则应直接给出引用内容及其出处；如数据或资料系本次工作新的研究结果，则应加以详述；如数据或资料系对现有数据进行了部分改动而得到的，则也应对改动情况和改动原因加以详述。 2.1.4 报告各部分内容应前后衔接，上下文相互引用时(尤其是图件、表格等)须保证查有出处。 2.1.5 报告中所用专有名称、地名、人名等，必须保证上下文的一致性。 文字印刷质量以清晰为标准，报告全文排版风格应一致。
高性能混凝土耐久性
《现代混凝土新理论与新技术》 课程论文 结构工程 张庆武 2014202100034
高性能混凝土耐久性 摘要：本文首先从高性能混凝土的抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀性以及碱-骨料等方面等进行探讨，分析了引起混凝土破坏的原因以及影响耐久性的因素。然后从高性能混凝土的组成材料入手，分析了原材料的选择对高性能混凝土耐久性能的影响。最后从设计和施工养护等方面，进一步探讨了高性能混凝土作为新型的优质材料提高其耐久性的必要性和有效措施。 关键词：高性能混凝土，耐久性，掺加料 1论文研究背景 混凝土从问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程，似乎人们总是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年以来，混凝土结构因材质劣化造成过早失效以至破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。混凝土工程的过早破坏，其原因除了强度不足外，还因为混凝土耐久性不良。例如，在日本海沿岸，许多港湾建筑、桥梁等，建成后不到10年的时间，混凝土表面即出现开裂、剥落，钢筋锈蚀外露。 美国：美国国家材料顾问委员会1987年提交的报告报道，约有25.3万座混凝土桥面板出现不同程度的破坏（其中部分使用不到20年），而且每年还以3.5万座的速度递增[1]；同年Litvan和Bickley发表了对加拿大停车场的检测报告，发现大量停车场的服务寿命远比预期的短很多。美国1991年在提交国会报告《国家公路和桥梁现状》中指出，美国当时的全部混凝土工程价值约6万亿美元，而每年用于维修的费用高达300亿美元；南非1981 年用于拆换桥梁、挡土墙、墩柱、路面、路缘、蓄水坝、系桩柱、防波堤、电杆基础等的经费就超过2700万英镑，这些结构物多是在建成后3-10 年内就发现开裂破坏。 我国基本建设比发达国家迟三十多年，但已建的一些工程也有类似令人堪忧的状况，有不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求。据统计，在我国现有的近70亿平方米的城镇建筑物中，有50%进入老化阶段，其中约有10-12亿平方米需经加固改造才能安全使用。1989 年，建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查，其结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求，一般使用25-30年就需大修加固。 我国混凝土工程的过早破坏,有的是结构设计不合理引起,有的是荷载的不利变化造成,但更重要的原因是由于混凝土耐久性不良,造成使用不久结构承载力就达到极限状态,某一偶然的荷载造成结构物的必然破坏。如果对混凝土耐久性理念认识不足,缺乏必备的材料组成设计、施工方法、技术措施和质量控制方案,就会使很多工程在建成时就埋下了耐久性不足的隐患,将会在其运营期和后期维护中付出巨大的经济代价。因此,重视并开展混凝土的耐久性研究,使混凝土朝着以耐久性为核心的高性能化方向发展,对确保混凝土工程使用寿命,推进我国建筑科技发展和经济建设步伐具有极其重要的意义。
钢管混凝土性能研究
钢管混凝土性能研究 发表时间：2019-05-09T10:20:17.083Z 来源：《新材料.新装饰》2018年9月下作者：潘荣燊贾慧敏 [导读] 本文对钢管混凝土做了详细的介绍，尤其介绍了现阶段钢管混凝土的应用情况及发展前景。据了解，钢管混凝土自提出以来在桥梁、隧道、工民建等各大领域得到了广泛的应用，其作为一种新型构件得到了社会广泛认可。 （绵阳市涪城区西南科技大学，四川绵阳 621000） 摘要：本文对钢管混凝土做了详细的介绍，尤其介绍了现阶段钢管混凝土的应用情况及发展前景。据了解，钢管混凝土自提出以来在桥梁、隧道、工民建等各大领域得到了广泛的应用，其作为一种新型构件得到了社会广泛认可。 关键词：钢管混凝土；现状；应用 1 钢管混凝土研究背景及意义 从19世纪20年代发明混凝土开始，其发展已有近两百年的历史了。普通混凝土主要由水泥、砂、石子及水四种基本材料所组成。众所周知，混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，尤其是低碳钢，具有良好的弹塑性。由于钢材轻质高强的特性，其在受压时容易丧失整体稳定。因此，有人提出将钢材和混凝土结合进行使用的想法。最初实现的是现在应用最广泛的钢筋混凝土结构。其充分利用了钢筋的受拉能力强和混凝土抗压能力强的特点。 随着钢结构在建筑结构的发展，有学者提出钢管混凝土的想法，其结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。 2 国内外研究现状 同济大学刘源[1]等通过调研得到：国内外钢管混凝土注规范及文献未考虑设置加劲肋或添加不严谨，但直接将加劲肋面积并入公式会导致计算承载力偏小。所以建议通过考虑加劲肋形式、约束系数和组合抗弯刚度等参数对现行规范承载力公式进行修正从而得到更准确的计算结果。 湖南大学王潇宇[2]等认为目前对钢管混凝土的研究还未涉及悬臂钢管混凝土构件的抗冲击性能研究，而悬臂构件的抗侧向刚度较小，在受冲击荷载作用下的变形会更大，因此有必要对悬臂钢管混凝土构件进行抗冲击性能研究。 福州大学陈宝春[3]对收集到的413座钢管混凝土拱桥进行了分析，可以看出钢管混凝土拱桥在我国的应用，数量持续增加，跨径增长明显，技术创新不断，已形成了成套的建设技术，并颁布了国家与行业技术标准，预计在今后的基础设施建设中还将发挥积极的作用。本文基于统计资料，对行业、区域分布，桥型与施工方法以及拱肋材料、矢跨比、拱轴线型等结构参数的分析，预测了今后的发展趋势，可供实际工程应用参考。 华南理工大学梁敬敏[4]等人认为我国是较早研究钢管混凝土结构的国家之一，但由于经济和技术条件，大部分钢管混凝土结构用于费用较高的超高层，而对于普通住宅或普通高层，我国常用钢筋混凝土结构，很少用到有支撑的钢管混凝土结构。 3 钢管混凝土的优点 钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面： 3.1承载力高、延性好，抗震性能优越 钢管混凝土中，由于钢管的密闭性，对混凝土产生约束作用，使混凝土处于三向受力状态，提高了混凝土的抗压能力。由于钢管属于柔性结构，受压会发生侧向失稳，但其内部的混凝土又能够限制钢管发生屈曲。因此，二者的相互作用使构件的塑性大大提高，承载力得到了明显的提高。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。 塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试验表明，试件压缩到原长的2/3,纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力。剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱，但仍保持完整，并未松散，且仍有约5%的承载力，用锤敲击后才粉碎脱落。抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同，但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性。但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。 3.2施工方便，工期大大缩短 钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响；由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实；钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。 同时，钢管混凝土柱的零件较少，焊缝少，构造简单，柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插入式柱脚，因而工厂制造比较简单，同时构件自重较小，运输和吊装也较易，施工很简便，而且钢管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm以内，无论工厂焊接和现场进行对接，都没有什么困难。同时，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的外皮钢管具有钢筋的功能，兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，所以管内没钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺，又由于柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板，同时也省了支模和拆模等工序。近年来，泵送砼相当普遍，现场浇灌并无困难，我国创造并广泛使用的高位抛落不振捣混凝土的施工方法，更简化了现场灌混凝土的工序，简便了施工。在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去浇水养护工序，简化了混凝土养护工艺。 3.3有利于钢管的耐火性和耐腐蚀性 由于钢管内填有混凝土，能吸收大量热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。经实验统计数据表明:达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3-2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。 此外，钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。
关于高性能混凝土的认识
关于高性能混凝土的认识 班级：10级铁工一班 姓名：张霄 学号：20106752 教师：唐秀军 2011年11月26日
关于高性能混凝土的认识 一、高性能混凝土的性能研究和应用分析 （一）高性能混凝土的概念 高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。 （二）高性能混凝土的性能 与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能： 1.耐久性。高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。 2.工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。 3.力学性能。由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。 4.体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。 5.经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构