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提高地震荷载分项系数抗震安全性提高了多少?

发布时间:2019-12-22 11:47    点击次数:185次   

  虽然随着规范的改进和新的设防区划图的提出,我国建筑抗震的安全水准在不断提升,但是很多专家仍认为目前建筑结构的抗震安全储备偏低。

  本文以基于2010版《建筑抗震设计规范》设计的一系列钢筋混凝土框架结构为研究对象,通过调整地震动力放大系数、地震作用和荷载分项系数等参数的取值,对框架进行重设计,并对框架结构进行倒塌分析,研究地震作用设计参数调整对框架结构的设计控制指标、地震力、材料用量和抗震安全性造成的影响。

  调整措施将使底层柱轴压比增大约8%;楼板和框架梁的钢筋用量提高约6%;对初始破坏始于底层的倒塌模式,调整措施能明显提高结构的抗震安全性,但随着设防烈度提高,地震下抗倒塌能力的提高程度略有降低。

  对于我国低烈度区框架结构,其抗地震倒塌能力偏弱;框架柱的变形能力不足;由于低烈度区框架柱纵筋往往受构造控制,因此提升构造和延性(提升抗震等级、增加体积配箍率、减小轴压比)的效果要比提升地震作用来的效果更明显。

  所以,规范修订的消息发布后,我们课题组就希望能够通过定量分析的手段,研究一下这一修订对框架结构抗震安全的实际影响。具体研究工作由我们课题组之前的两位毕业生:卢啸和李梦珂负责。

  首先我们基于课题组毕业的施炜博士的研究工作,建立了一系列混凝土框架模型。框架为3跨,每跨6m,层数分别为4层、6层、8层、10层。分别按照7度、8度设防进行了截面和配筋设计。

  由于分项系数增加,导致柱子轴力增加,所以柱子的轴压比都有一定程度的提高。部分算例因为轴压比超限,需要对柱子截面尺寸进行重新设计。

  此外,由于地震荷载增加,地震作用下最大层间位移角也有所增加,不过对于本次算例,层间位移角都未超限。

  以7度设防的4层框架为例,由于参数调整后轴压比超限,所以柱子截面有所增大,所以底层柱子的混凝土用量略有增加,而其他构件混凝土用量(特别是楼板)基本不变。整个结构的混凝土用量增加很小。

  从机理上说,如果要提升抗震安全性,提高柱子的配筋是最有效的。但是由于很多设计参数调整都是针对竖向荷载的,结果导致框架梁和楼板的配筋有显著增加,而框架柱增加的配筋非常有限。

  而钢筋用量增加则稍微多一些,基本上在4%到7%之间。不过大部分增加的钢筋都位于水平构件(梁和板)里面,竖向构件配筋增加很有限。

  这里可以给非土木工程专业的人员科普一下,现在钢筋混凝土建筑的用钢量大约每平米40-50公斤。所以增加的钢材的成本大约等于50kg*7%*3000元/吨=10.5元/平方米。

  于是我们就采用基于增量动力分析(IDA)的倒塌分析方法,研究了重新设计后框架的抗地震倒塌能力。

  其基本原理就是我们首先建立研究对象的弹塑性模型,然后输入一组地震动(本文我们采用的是美国FEMA P695报告推荐的22组远场地震动),从小到大不断增大这些地震动的强度,研究在不同强度地震动下建筑物发生倒塌的比例有多少。

  而后,由于我们抗震规范要求的是“大震不倒”,于是我们就把结构出现50%倒塌率的地震动强度除以我们规范规定的“罕遇地震水平”,可以得到一个“抗倒塌安全储备(CMR)”,这个CMR就类似我们熟悉的经典安全系数“大老K”,可以定量的评价建筑的抗倒塌能力强弱。

  基本结论就是参数调整后,抗倒塌储备平均有4%-11%的提高,相对于其成本增加而言,这个效果也还说得过去。

  但是对于7度设防框架而言,结果就有点让人郁闷了。虽然对于大部分框架,倒塌储备提升了6%-12.5%,但是对于7度设防的6层框架而言,其抗倒塌储备非但没有提高,反而还有所降低。

  为了这个问题我们反复验算和讨论了多次,最后发现:修改设计参数后,框架梁的配筋有显著增加,这样弱化了结构特别是上部楼层的“强柱弱梁”效应,最后导致结构的倒塌模式从底层倒塌转移到了第四层倒塌,并且抗倒塌能力也有明显的降低。


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