中美高地震风险区钢筋混凝土框架结构抗震规定及性能对比研究.pdf.doc.doc

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1、 重庆大学硕士学位论文中美高地震风险区钢筋混凝土框架结构抗震规定及性能对比研究姓名：杨卓兴申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：白绍良2010-04 中文摘 要摘要近期 美国抗震规 范 发 展 变化 迅 速， 在 以IBC 系 列 规 范 为 代表 的 新 一 代规 范 中推 广应 用 了大 量新 的 研 究 成 果。 此外， 美国尤其是 其西 部 地 区 震害 经 验 丰 富 。 因此本 文针对 量大 面 广的 钢筋 混 凝 土框 架 结 构 选择 美国最 新 抗震设 计 规 范 和 中国现行抗震规 范 进 行抗震相 关条 文的 初 步 识别 ， 并 利 用 经 认 真 校准 并 确 认

2、 可 靠的 非 线性动力 反 应 分 析 程 序FW-EPA 进 行罕遇地 震作用 下 的 动力 反 应 分 析 ， 从而 评价 我国现行抗震规 范 安 全性。 同时 ， 经 过 对 比 分 析 得 出 两 国框 架 抗震性能 的 相 对 水平后 ， 就 能 够借 鉴美国框 架 结 构 在 实际地 震中的 震害 反 应 间 接 评价 中国框 架 结 构 的抗震性能 。在 上述 思 路 的 指 导下 ， 本 论文主 要完成 了以 下 几 方面 的 工 作： 介绍 了美国地 震危险 性分 析 的 思 路 以 及 地 震风险 区 划 图 和 最 大 考虑地 震区划 图 编 制的 技 术方法 ， 并

3、与中国地 震动参 数 区 划 图 的 编 制方法 进 行了 比 较 ， 以 此结 果为 基 础 提 出 了两 国设 计 地 震动参 数 的 对 应 方法 的 建议 ； 完成 了中美规 范 框架 结 构 抗震相 关条 文的 初 步 对 比 分 析 ， 对 两 国抗震设 计原则 、地 震作用 取值、能 力 设 计 措 施 和 抗震构 造措 施 等 方面 的 内容 给 出 了分 析 评价 ； 严格 按 照 两 国规 范 的 相 关要求 ， 对 处 于9 度 0.4g 区 和 8 度 0.3g 区 的 中美框架 结 构 进 行了截面 设 计 ， 其中美国框 架 结 构 采 用 了均匀抗侧 力 和 边

4、榀 抗侧 力 两 种美国规 范 允 许的 方式； 对 上述 框架 结 构 完成 了相 应 罕遇地 震作用 水准 激 励 下 的 非 线 性动力 反 应 分析 ， 并 分 析 讨 论了反 应 规 律及 其原因。通 过 以 上工 作， 得 出 的 主 要结 论有 ： 美国无 论是 地 震危险 性分 析 还是 用 于 设 计 的 最 大 考虑地 震动参 数 都是 基 于国土范 围内的 场 地 单元给 出 的 。 我 国在 给 出 设 计 地 震动参 数 时 采 用 了分 区 取代 表值的 区 划 方法 。 这一 做法 难 以 反 映地 震危险 性分 析 中大 量而 细 致 的 工 作成 果， 而且由

5、于 分 区 值取为 分 档 范 围的 偏 下 限 还可 能 引 入 不 安 全的 因素； 本 文建议 当美国西 部 地 区 某场 地 单元50 年超 越 概 率 10%峰 值地 面 运 动加速度 （ 可 以 通 过 美国公 布 的 数 据库获 得 ） 处 于 我 国某烈 度 区 加速 度 分 档 范 围值之内时 ， 可 以 认 为 该场 地 单元具 有 与这一 烈 度 区 相 同的 地 震风险 ， 其用 于 结 构 设 计 的地 震力 可 以 用 于 与中国规 范 的 对 比 工 作； 对 于 美国的 均匀抗震方案， 各榀 框架 的 地 震力 降 低 系 数 的 取值远 大 于 中国，但 是

6、美国考虑了竖 向 地 震作用 ， 并 且其强 柱 弱梁措 施 比 中国规 范 偏 严， 因此梁、 重庆大 学 硕 士 学 位 论文柱 配 筋 量与中国的 差距 有 所缓 解 。 两 个烈 度 区 美国均匀抗震框 架 的 罕遇地 震作用 反 应 性态 均弱于 我 国框 架 ， 两 个烈 度 区 美国边 榀 抗震框 架算 例 的 罕遇地 震作用 反 应 性态 优 于 我 国框架 ， 但 因中间 榀 框架 依然需 要一 定 抗震措 施 ， 整 体 结 构 材料 用 量大 ， 经 济 性较 差。关 键词： 抗震设 计 ；地 震危险 性分 析 ；非 线 性动力 反 应 分 析 ；钢筋 混 凝 土框 架

7、。II ABSTRACTThe U.S. seismic code is developing rapidly in recent years. Promote and use a large number ofachievements in the next-generation code which is represented by IBC, In addition, the United States,especially its western regions have abundant experience of earthquake damage. Therefore, this

8、 paperis comparing the provisions for largely used reinforced concrete moment frame in U.Snext-generation seismic code with provisions in Chinese seismic code. Use of carefully calibratedand reliable non-linear dynamic analysis procedure FW-EPA for structural response dynamicanalysis under rare eart

9、hquake and evaluate the safety of Chinese current seismic code. At the sametime, through the comparative analysis between the relative level of seismic performance of Chineseand U.S moment frame, the seismic performance of Chinese moment frame can be indirectlyevaluated by Learning from the Earthqua

10、ke damage of RC moment frame in the actual U,Searthquake.Under the guidance of the ideas in this thesis, the following work is completed: Introduce the ideas of seismic risk analysis and the technical methods for preparing theseismic risk zoning maps and maximum considered earthquake zoning maps in

11、the U,S. Moreover,compare these ideas and methods with Chinese zoning maps, and propose the corresponding methodfor chooseing the design ground motion parameters in two country. Complete the comparative analysis of seismic provisions for RC moment frame in Chineseand U.S seismic code. Analysis and e

12、valuate the content of seismic design principles 、 designground motion parameters、 capacity design measures and seismic design details in the Chinese andU.S code; Strictly execute the section design for Chinese and U.S RC moment frame at the site withfortified intensity of degree 9and degree 8, the

13、U.S RC moment frame adopt two structural pattern,one is using all frame as part of the seismic force-resisting system and the other is using dualsystems that combine seismic force-resisting frame with gravity frame. Complete the nolinear dynamic analysis for the RC moment frame during the rare earth

14、quakeand discuss the laws and reasons of the reaction.Through the above work, the main conclusions are: Both the seismic risk analysis curves and the maximum considered earthquake groundmotion parameters of U,S is given on each site. However, the method used in China is givenrepresentative value for

15、 each zone, this approach can not reflect the large number of seismic hazardanalysis results,. Furthermore, the representative value is taken as the lower limit of ground motion 重庆大 学 硕 士 学 位 论 文parameter scope so that may lead to some hidden danger. This paper propose that if the ground motion para

16、meters with 10% probability of exceedencein 50 years at a American site is belong the parameter scope of one Chinese fortified intensity degree,then we consider that this site have the same seismic risk as this degree of Chinesefortified intensity. For the example using all frame as part of the seis

17、mic force-resisting system, the responsemodification factor R using in U.S seismic code is larger than China. However, because U.S seismicdesign code is adopting more strict strong column weak beam measure and is considering thevertical seismic force , the quantity of reinforcement for U,S frame is

18、as much as China. Because there is no strengthening measures at the column bottom of underlayer, the seismicperformance of U.S structure with all frame as part of the seismic force-resisting system under rareearthquake is weaker than China. The seismic performance of U,S dual systems that combine se

19、ismic force-resisting framewith gravity frame is better than Chinese frame. however, it is waste of material and money.Keywords: Seismic Design, Seismic Risk Analysis, Nolinear Dynamic ResponseAnalysis, Reinforced Concrete Moment FrameIV 1 绪论1 绪论1.1 问 题的 提 出地 震是人 类 面临 的 严重 自然 灾害之 一。由 于其突 发性 的 特点， 至

20、今仍然 无 法实 现 对 地 震的 有效 预报 ， 也 没 有有效防止 地 震发生的 方 法 。因此 目 前世界 各 国 应对 地 震灾害的 唯一途 径 是对 工 程 结构 采 取相应 的 抗震设计 和 抗震措施 ， 尽 可 能赋予房 屋 和 桥 梁等 工 程 设施 良 好 的 抗震性 能， 以 保 证在地 震发生时能够 避免 或降低所 造 成的 人 员 伤 亡和 经 济损 失 。这 正 是各 国 抗震规范 的 意 义 所 在。近年 来我 国 经 济高速 发展， 兴建了 大 批 建筑 ， 地 区这 类结构 中 相当 大 的 一部 分 往 往 受 地 震荷 载 组 合 控 制 ， 因此 我 国

21、抗震规范 的 合 理 性 直接关系 到人 民 生命财 产 的 安 全 和 国 家 的 可 持 续 发展。为 了 不 断 发展我 国 的 抗震理其中 有抗 震设防要 求论， 提 高抗 震技 术 水 平 和 安 全 水 准 ，使 用 经 不 断总 结震害及科 学 研 究经 验 ， 并 据。虽 然众 所 周 知结构 经 历强震此 修 订、 充 实 和 逐 步 优 化 的 抗震规范 显 得尤 为 重 要后 的 震害程 度 是对 任 何 规范 规定 最 有效的 检 验 方 式， 但 我 国 除 台 湾 地 区外， 有抗震设防要 求的 大 部 分 地 区在建筑 结构 设计 使 用 年 限内接受 强震检 验

22、 的 机会 很少 ，2008 年 5 月 12高强度 地 震在人 口密集 区发生的 震害经 验 和 发震几 率 都 较 小 。尽 管日 发生的 汶 川 地 震和2010 年 4 月 14 日 发生的 玉 树 地 震分 别 造 成了 大 量人 员 和 经济损 失 ， 但 是这 两 次 地 震建筑 物 的 损 坏 并 不 能完全反 映 我 国 现 行 建筑 抗震设计规范 GB50011 -2001 的 设防水 平 ， 因为 相应 震区内特别 是强震区内仍有大 量建筑并 未 按 此 规范 设计。在这 种情况 下， 对 结构 或构 件抗 震性 能的 模 拟 试 验 及非 弹 性动 力 反 应 性 态

23、模 拟 分 析就成为 重 要 、可 行 的 检 验 手段， 如果 同 时再 将 这 些 分 析结果 与 目 前国 际 学 术 界 一般认 为 理 论基 础比 较 厚 重 、 震害及设计 经 验 积累 较 为 充 分 、且具有一定 特色的 抗震设计 规范 进 行 对 比 ， 就不 失 为 一种对 我 国 规范 抗震设防效果 较 为 有效的 间接评价 方 法 。国 际 上， 以 美 国 为 代表的 发达 国 家 拥 有较 为 完整 的 抗震设防技 术 规范 和 标 准 。尤 其是美 国 ， 近年 来在地 震危 险 性 评估方 面提 出了 较 多 值得 参 考的 先 进 理 论及方 建立 衰减 关系

24、 的 理 论体系 上完成了 多 方 面的 突 破 。新的 衰减 关系中 地 震动参 数 从 单 一的 地 面运动 峰 值加 速 度 扩展为 多 个 周 期 的 反 应 加 速 度 。美 国 西部 地 区用 于建立 衰减 关系 的 地 震记 录 采 用 了David M.Boore 等 人 于 2006 年 提 出的 新一代几 何 平 均 代表值 GMRotI50， 移 除 了 传 感 器方 位 引 起 的 偶然不 确定性 ； 美 国 中 东 部地 区的 衰减 关系 则 主要 是根据 地 震学 研 究成果 ,利用 震源力 学 和 波 动 理 论建立 的 ，1 重 庆大 学 硕 士 学 位 论文

25、根据 地 震危 险 性 分 析的 结果 给出了 国 土范 围 内150000 个 场 地 单 元 的 一致 风 对 全 美 各 场 地 单 元 的 地 震危 险 性 分 析结果 进 行 了 解聚 处 理（从 而识 别 出不 同 震源、 震级 和 距 离对 计 算 出的 地 面运动 的 相对 贡 献； 在对 地 震危 险 性 分 析结果 进 行 解聚 处 理 的 基 础上， 美 国Deaggregation ）， 高层 建筑 抗震设计 导则 提 出了 新的 选波 方 法 ， 该 方 法 要 求反 应 时程 分 析中 所 选的 地 震记 录 应 与解聚 处 理 得到的 地 震震级 和 场 地 -震

26、源距 相协调 ，且至 少 使 用7 组 加 速 度 时程 曲 线 ；R-除 地 震危 险 性 评估方 面的 进 展外， 美 国 抗震设计 规范 较 为 完整 地 贯 彻 了基 本 规律 ， 即 不 论场 地 的 地 震风险 高低， 高延 性 结构 、 中 等 延 性 结构 和 低延 性 结中 国 规范 没 有接受 这 一基 本 规律 ，构 分 别 对 应 相对 偏低、 中 等 和 较 高的 地 震作 用 。而是在不 同 设防烈 度 分 区选用 相同 的 设计 用 地 震相对 作 用 水 准 的 前提 下对 各 设防烈 度 区取用 不 同 的 抗震措施 。鉴于美 国 抗震规范 的 先 进 性 和

27、 代表性 ， 本 文 拟 选择 美 国 新一代抗 震规范 作 为对 比 研 究对 象，对 比 研 究工 作 主要 分 为 两 个 大 方 面： 首 先 ， 介 绍 美 国 地 震危 险 性评估中 的 新进 展， 但 限 于篇 幅将 重 点介 绍 上述 进 展的 前面 三 点； 其次 ，由 于框架结构 是我 国 目 前量大 面广 的 结构 形式之 一， 因此 本 文 对 中 美 抗震规范 的 对 比 研 究工 作 主要 针对 框架结构 进 行 。选择 美 国 最 新抗 震设计 规范 和 中 国 现 行 抗震规范 中对 框架结构 的 规定 进 行 条 文 和 非 线 性 动 力 反 应 分 析的

28、对 比 ， 以 评价 我国 现 行 抗震规范 的 安 全 性 。经 过 对 比 分 析得 出两 国 框架抗 震性 能的 相对 水 平 后 ， 就能够 借鉴美 国 框架结构 在实 际 地 震中 的 震害反 应 评价 中 国 框架结构 的 抗震性 能。1.2 国 内 外研究 现 状由 于美 国 抗震规范 的 先 进 性 和 代表性 ， 与 美 国 抗震规范 的 对 比 具有重 要 的 参考价 值， 以 往 也 有很多 研 究者对 各 国 抗震设计 规范 进 行 过 对 比 、 评价 ， 主要 的 研究者和 研 究成果 如下： 中 国 建筑 科 学 研 究院 工 程 抗震研 究所 罗开 海 （ 20

29、05） 基 于IBC2003 规范 对中 美 规范 建筑 抗震设防原则 与 目 标 、 设防地 震动 参数 确定 方 法 以 及建筑 物 重 要 性等 级 的 划 分 内容 进 行 了 比 较 分 析， 就设计 地 震动 参 数 的 取值以 及建筑 物 的 重 要 性等 级 在抗 震设计 中 的 考虑 提 出了 建议及解决 方 案。此 外， 通 过 对 中 美 抗震设计 规范 中 有关场 地 分 类 、 场 地 效应 以 及设计 地 震危 险 性 特征 等 内容 的 比 较 分 析， 给出了 中 美 抗震设计 地 震动 参 数 的 换算 关系程 设计 案例的 对 比 分 析；。然 而， 该 项

30、研 究工 作主要 缺陷 是缺少 工 中 国 建筑 科 学 研 究院 结构 所 研 究生李 剑（2005） 对 中 美 两 国 抗震设计 目 标 、2 1 绪论地 震动 参 数 确定、 场 地 分 类 、 地 震作 用 计 算 方 法 、 竖向 地 震作 用 、抗震措施 等 做 了 较 全 面的 分 析讨 论；P - D效应 以 及 中 国 建筑 科 学 研 究院 研 究生刘建永（ 2006） 对ACI 318-99 规范 有关混凝土结构 设计 的 相关条 款 进 行 了 分 析研 究， 编 制 了 各 类 构 件的 承载 力 计 算 程 序 。在完成程 序 开 发的 基 础上， 对 依据ACI

31、 318-99 和 GB 50010-2002 的 构 件配 筋量进 行 了对 比 ， 并 通 过 一个 框架结构 的 工 程 算 例对 引 起 中 美 配 筋量差异 的 各 方 面因素进 行了 分 析； 重 庆大 学 研 究生吴 雪萍（ 2007） 选择 中 国0.4g 区一级 抗震等 级 的 典型 框架和 欧 洲 0.4g 区高延 性 等 级 和 中 等 延 性 等 级 的 典型 框架分 别 严格按 这 两 本 规范 完成设计 ， 并 分 别 进 行 了 相当 于我 国0.4g 区罕 遇 地 震水 准 输入下结构 非 弹 性 动 力 反 应性 态 的 对 比 。对 比 结果 表明 ： 中

32、国 设计 用 地 震水 准 更接近欧 洲高延 性 等 级 设计 用地 震水 准 ； 中 国 和 欧 洲高延 性 算 例具有相近的 动 力 反 应 特征 。从 而确认 了按 中 国 一级 抗震等 级 设计 的 框架结构 与 按 欧 洲高延 性 等 级 设计 的 框架结构 的 抗震性 态 具有可 比 性 ；0.4g 区 清华 大 学 叶 列 平 （ 2008） 基 于ACI 318-05 规范 对 中 美 钢筋混凝土受 压构 件的 正 截面 承载 力 计 算 和 梁斜截面 受 剪承载 力 计 算 进 行 了 对 比 。此 外， 对 梁和 受 压构 件的 抗震构 造 措施 进 行 了 讨 论， 指

33、出了 中 国 承载 力 计 算 中 需要 进 一步分 ；完善 的 部 华 中 科 技 大 学 研 究生朱 文 静 （2008） 对 建筑 抗震设计 规范 GB50011-2001和 美 国 IBC2000、 IBC2003、 UBC97 中 抗震条 文 及 ACI 318- 05 抗震措施 规定 进 行 重 庆大 学 研 究生郭 双清 （ 2009） 对 比 了 美 国 地 震危 险 性 分 析的 方 法 和 中 国现 行 地 震区划 方 法 ， 采 用 非 线 性 分 析程 序性 动 力 反 应 分 析， 初步 识 别 了 两 国 混凝土框架结构 在下的 反 应 性 态 。FW-EPA 对

34、0.4g 区中 美 算 例进 行 了 非 线0.4g 区对 应 的 罕 遇 地 震作 用上述 中 美 规范 对 比 的 工 作 中存 在的 主要 问题是： 首 先 ，大 部 分 对 比 工 作 是从弹 性 分 析的 层 面上进 行 条 文 对 比 ， 而缺乏 结构 在多 波 输入下的 非 线 性 动 力 分 析，以 及根据 分 析结果 体现 出的 结构 在强震下的 性 态 对 规范 的 抗震设计 效果 进 行 的 对比 评估； 其次 ， 大 部 分 对 比 工 作 仅关注 抗震设计 ， 而忽 略 为 抗震设计 提 供 基 础数据 的 地 震危 险 性 评估方 法 。计 方 法 两 方 面的 对

35、 比 工 作 ， 其中 对 抗震设计 方 法 的 对 比 增 加 了 针对 工 程 实 例的 非线 性 动 力 反 应 分 析 ， 以 期 对 按 照 两 国 设计 规范 设计 的 结构 在罕 遇 地 震作 用 下的 抗震性 态 作 出较 为 全 面的 评价 。本 文 拟 对 中 美 抗震规范 完成地 震危 险 性 评估和 抗震设3 重 庆大 学 硕 士 学 位 论文1.3 选用 的 设计 规范 所 选的 美 国 规范在 2000 年 以 前， 美 国 的 各 种建筑 模 式规范 是分 别 由 不 同 的 行 业 协会 和 技 术 协会 制 定和 管 理 的 ， 由 于美 国 制 定建筑 规范

36、 的 机构 很多 ， 规范 标 准 也 就种类 繁 多 。这 些 规范 只 要 被 某 个 联 邦州 政 府 批 准 采 用 就可 以 成为 该 州 施 行 的 法 规， 因此 在直到 20 世纪末的 很长一段时间内美 国 都 不 存 在全 国 统 一的 建筑 模 式规范 。而且 ， 某个 联 邦州 还 可 能同 时采 用 多 种规范 标 准 。1995年 ， 在美 国 政 府 和 有关全 国 性 学 术机构 的 推 动 下， 统 一建筑 规范1（ Uniform Building Code， UBC）， 国 家 建筑 规范（ National Building Code， NBC） 与 标准

37、建筑 规范 （Standard Building Code， SBC）， ICC）， 开三 本 规范 的 编 制 机构 成立 了 国 际 规范 协会 （ International Code Council始 推 动 规范 的 统 一。1997 年 ， 加 州 土木工 程 师协会（Structural Engineers Associationof California， SEAOC） 推 出了 最 新版的1997 UBC。同 年 ， SEAOC 与 美 国 土木工程 师协会 （新版的American Society of Civil Engineers， ASCE）、 ICC 等 机构 合

38、作 编 制 了 最1997 NEHRP Provision（ National Earthquake Hazards Reduction Program，NEHRP）。 2000 年 ， 以 1997 NEHRP Provision 为 基 础的 IBC-2000（ InternationalBuilding Code， IBC ） 规范 正 式发布实 施 ， 取代了UBC、 SBC 和 NBC 等 规范 ， 从而使 美 国 的 建筑模 式规范 达 到了 统 一。IBC 每 3 年 修 订一次 ， 目 前最 新版本 是IBC-20092。 IBC-20092内容 丰 富， 可 以 视 为 一个

39、 规范 门户 ， 由 它 通 向 各 个 专 门规范 。在抗 震设计 方 面，IBC-20092大 多 引 用 了 ASCE7-053的内容 。而 ASCE7-053也 是一个 针对 各 种结构 形式的 总 规范 ， 其中 规定 了 设防目 标 、 场 地 特性 、 设计 地震作 用 、 地 震响 应 计 算 方 法 、 结构 体系 与 概 念 设计 等 普 适 的 内容 ， 至 于具体的 构件性 能需求与 构 件详 细 设计 内容 ，ASCE7-053则 援 引 其他专 门的 规范 ， 如混凝土结构 要 求符合ACI318-084的 要 求。在美 国ACI 规范 具有相当 的 权威 性 和 影 响 力 ，ACI 规范 的 内容 涉及材料 、 耐 久大 多 数 混凝土建筑 和 有关结构 均 依此 规范 设计 。性 要 求、 混凝土质 量控 制 、 模 板工 程 、 结构 分 析和 设计 、 预制 混凝土、 组 合 结构 、抗 震设计 等 诸 多 内容 。综上所 述 ， 统 一后 的 抗 震规范 体系 应 该 是ASCE7-053和 ACI318-084等 专 门结构 规范 的 链