王牌 土木工程进展 1687-8094 1687-8086. Hindawi出版公司 10.1155 / 2015/537405 537405 研究文章 带有条形拉伸和关节剪切劣化的缺陷RC结构的地震脆弱性评估 http://orcid.org/0000-0002-5468-7157 Mushtaq arslan. 阿里汗 Shaukat Farooq加布里埃尔 哈姆萨 http://orcid.org/0000-0002-0303-7568 h Sajjad. Gulkan 波塔特 南京理工大学土木工程学院,土木与环境工程学院 国立科技大学 伊斯兰堡 巴基斯坦 nust.edu.pk. 2015 28 1. 2015 2015 14 08 2014 15 12 2014 22 12 2014 28 1. 2015 2015 版权所有©2015 Arslan Mushtaq等。 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放存取的文章,它允许在任何媒体上无限制地使用、传播和复制,只要原始作品被适当地引用。

巴基斯坦是一个欠发达的国家,仍在努力改善建设做法。在克什米尔(2005年)的地震中,大多数私人建筑都是非工程化的,造成了大约8.5万人的生命损失。然而,克什米尔(2005)地震后,政府和工程界强调了地震规范的实施。虽然目前的施工实践被认为比以前的施工工作更好,但这些结构的脆弱性仍有待确定。它的目的是评估在巴基斯坦最近的RC建设仍然需要评估的脆弱性。研究工作从标定描述节理剪切退化的面板区域单元(PERFORM 3D)开始,同时将分析结果与文献中的实验工作进行比较。然后,该框架工作被用于评估钢筋混凝土结构在巴基斯坦目前典型的施工实践的脆弱性,同时使用先进的能力谱方法,由Kyriakides开发的,已经考虑了三个案例,更频繁地由公共部门建设,在不同的地震带,以设计为基础,通常是该地区的建筑商遵循的。最后得出了结论,并提出了进一步改进结构抗震性能的建议。

1.介绍

自人类社会发展以来,地震是造成结构破坏的主要原因之一。大地震在过去十年像Bhuj(2001)在印度,Bam(2003)在伊朗,苏门答腊造成海啸(2004),在巴基斯坦克什米尔(2005),海地(2010)、中国(2010)、印度尼西亚(2010)、智利地震和海啸(2010),和Christchurch-New新西兰(2011)已经唤醒了人类生命安全和国家严重的经济。在巴基斯坦这样的发展中国家,克什米尔(2005年)地震之前的大多数建设都没有详细考虑抗震设计参数,这是克什米尔(2005年)地震造成约85000人死亡的基本原因。

在结构(尤其是建筑物)的设计阶段,旧做法仅涉及梁、柱、板和基脚的设计,同时考虑到大变形期间的感应能量被仔细设计的塑性铰链吸收,通常位于连接梁中,然而,由于粘结和剪切特性,接缝表现出较差的能量耗散机制,因此被视为弹性元件。相反,在实验室进行地震试验或观察地震后结构的破坏时,接头剪切破坏是结构损坏的主要原因之一(Lafave et al.2004)。当结构遭遇地震时,由于其连接梁和柱,连接区域受到弯矩反向作用。在类似的线路上,另一个被称为钢筋拔出的重要参数是最显著的破坏模式,尤其是对于角节点,当框架受到地震侧向力时,梁钢承受相当大的轴向应力。

从文献综述中,发现工程师已经确定,当关节在一侧经过显着的非弹性剪切变形时,加强钢也经受轴向应力,导致钢的混凝土键损坏,当抗塑动力矩抵抗框架结构时抗震力。因此,通过在结构的分析和设计期间忽略关节剪切和杆拉伸,可能出现结构性能和延展性需求的结构性性能和误差的误解。因此,对于更现实的楼层漂移结果,必须迎合关节和杆拉伸的非弹性剪切行为。

该研究是Kyriakides(2012)和Ahmed [ 1.谢菲尔德大学。Kyriakides和Ahmed在他们的研究中都认为剪切是弹塑性。因此,有必要看到剪力与负刚度和强度退化将如何表现。当前研究的目的是在考虑巴基斯坦正在建设的实际建筑的情况下,通过考虑节点剪切和杆拉退化的有限元模型来评估当前的结构;因此,作者将研究分为两部分,第一部分是利用PERFORM 3D中节点剪切模型的面板区对梁柱节点组件进行标定,最后是第二部分,进一步扩展研究范围,典型的三-、五-、巴基斯坦目前正在建设的8层住宅楼也被考虑用于地震易损性评估。

2.第一部分

本研究工作的第一部分包括通过在PERFORM 3D中建模和分析接头组件,开发分析接头剪切模型,与Lafave et al.(2004)的实验工作进行比较。然而,在进行分析性评估的描述时,提供了对文献回顾的一瞥。

2.1.文献综述

虽然看着对地震激发的联合行为的文学,但研究人员已经努力逼近关节的非线性行为,而结构受到横向力,特别是地震激发。已经制定了以下研究审查,以便快速概述较早的研究。

吉拉森[ 2.]提出了一个非线性弹簧与线弹性简梁单元连接的模型。该模型隐式地显示了结构整体漂移响应的改善,但缺乏局部响应。克拉文克勒和莫哈西卜[ 3.[]被认为是引入板区性能的先驱,发展了一个宏观单元模型来表示钢抗弯矩框架的板区性能。该模型由两个由旋转弹簧连接的剪刀型组件组成,用于表示节点剪应力应变行为。后来,克拉文克勒[ 4.]开发了具有刚性边界的更精确面板区域模型,具有三线剪切应力-应变行为。阿拉斯和昆纳[ 5.]开发了与上述概念类似的RC连接面板元件。在考虑节点核心的纯剪切行为时,计算了面板力矩,但根据经验计算了节点剪切性能。Bidah和Ghobarah(1999)提出了Alath和Kunnath的修正模型,通过引入两个旋转弹簧,一个用于接缝剪切变形,另一个用于梁钢筋的粘结滑移行为。Yousaf和Ghobarah(2001)开发了一个更精确的模型,有四个用铰链连接的刚性连杆和两个用于面板对角连接的非线性轴向弹簧。该模型改进了接头剪力和接头面钢筋拔出的计算,但缺乏更精确的钢筋混凝土滞回性能计算。洛斯和阿尔顿塔什[ 6.[]提出了一种更符合实际的节点剪切模型,该模型适用于没有节点剪切筋的旧非延性框架,具有4个界面剪切弹簧和8个杆滑移弹簧。

2.2。执行3D中联合剪切面板的分析模型

Lafave等人(2004年)测试了四个梁柱组件,这些组件在梁和柱的钢筋细节方面存在差异。通过在顶部施加横向荷载,使用液压致动器,对组件进行测试,并据此编制接头剪切应力与应变的结果。在本研究中,已为SL1试样建立了分析模型。样本SL1的简要图示说明如图所示 1.剪切带沿接缝板的解析工具。

关节子组件SL1的显着(所有单位为MM)。

执行3D已被用作分析工具,并将结果与​​Lafave等人的公开实验工作进行比较。(2004)。该子组件已在2D中进行建模,带梁和柱作为弹性元件和接合区域作为无弹性连接元件区域,如图所示 2..组件的支撑条件是底座铰链和左右两端的滚子支撑(Lafave et al. 2004)。

(a)柱截面和(b)梁截面(单位均为mm)。

表中提到了材料的属性 1. 2.快速回顾。

混凝土性能。

标本 1(MPA) 2 (MPa) 3(兆帕) 4(MPA)
除了上面列 29.9 36.2 47.4 31.2
上柱 35.8. 40.7 45.4 31.5

钢的性质。

酒吧尺寸 三号(9.5毫米) 第五(15.9) (毫米) 数字6(19.1毫米) 篮球柱子
F Y (MPa) 448. 506 539. 466
ε. Y 0.0022 0.0027 0.0026 0.0045
ε. 上海 0.008 0.017 0.016 厦门市
F U (MPa) 703 662. 690 715

对于非弹性接头元件,已经使用连接面板区域元件。用于定义连接元件的输入参数是通过连接和剪切应变的瞬间。如前所述,接合区域经受高位逆转导致时刻通过与剪切失效的结果进行连接;因此,作用在关节上的水平剪切力乘以光束的顶部和底部条之间的距离,以通过连接赋予时刻[ 8.].为了定义不同延性水平下的剪应力,选择了一个三线性关系来表示节点的滞回特性。从文献综述来看,Stevens等人[ 7.[测试关节子组件后,开发骨干曲线,抵抗关节剪切应力和应变。后来,金和莱亚夫[ 9使用贝叶斯参数估计方法开发了一种批判性评估的RC关节剪切应变应变分析模型,同时测试341个不同的关节子组件,并考虑到接头行为最大的参数。作者在不同水平的延展水平开发了一组方程,适用于大多数梁柱连接。数字 3.在使用Kim和Lafave点A、B、C和D处的方程组后,为Lafave et al.(2004)的接头组件SL1提供了[ 9].

Stevens等人后的联合剪应力应变曲线[ 7.].

在定义执行3D中的建模参数之后,已经进行了静态循环(推送)分析,因此结果用于开发能力曲线,与Lafave等人的公开实验结果进行比较。(2004)。

2.3。结果

在进行分析之后,获得了接头剪切应力与应变和叠层剪切与漂移的骨干曲线。在图中 4.,在本研究中获得的骨干容量曲线的比较,Lafave等人的实验和分析工作。(2004)显示,显示结果的收敛性。

结果比较。

3.第二部分

在这一部分中,作者将实际的三层、五层和八层典型巴基斯坦建筑(在建)作为案例研究。如前所述,巴基斯坦经历了多次地震,其中最近一次地震发生在阿瓦兰·奎达(2013年)和克什米尔(2005年),如图所示,这两次地震造成了严重的人员伤亡和结构破坏 5.

巴基斯坦地震造成的损失。

保持看见地震强度和频率,巴基斯坦已被细分为地震区,如图所示 6.

巴基斯坦地震带[ 10].

3.1.建设发展趋势

大部分建筑在巴基斯坦,特别是在私营部门,没有结构工程师的咨询。在进行这项研究时,作者发现,虽然在巴基斯坦已经开发了地震代码,但在不考虑适当地震设计的情况下正在进行建设。数字 7. 8.展示结构的一些图形视图,在地震区4中建造的,位于Muzafarabad(由Kashmir Arcearquake 2005的区域)。

巴基斯坦的建设趋势。

现代建筑在巴基斯坦。

费萨尔清真寺,伊斯兰堡

伊斯兰堡的滨海

卡拉奇住宅大厦

WAPDA房子,拉合尔

从图 7(一),第一层柱钢已安装,但限制/剪切钢筋不足。同样,从图 7 (b)在地震作用下,钢筋细部不良和通过接缝核心的剪力筋不连续性是主要的施工缺陷。一般情况下,图中所示的案例的突出特点是细节和构造较差 7..一方面,施工是用众多缺陷进行的,而另一方面,大多数发达地区,如伊斯兰堡,拉瓦尔彭德,卡拉奇和拉合尔,都有高层建筑,根据工程标准批评和执行(数字 8.).

从上一段可以很容易地理解巴基斯坦建设趋势的多样性。基于可变的建设趋势,Shehzada等人[ 11[研究了ABBOTTABAD的脆弱砖砌,狭窄砖砌砖和钢筋混凝土结构的脆弱性,提出了用于防止结构的改造技术。在类似的线条上,在克什米尔地震(2005年)之后,在Kashmarabad和Karachi的学术建筑中,在Kashafarabad和Karachi学术建筑的地震脆弱性评估的地震脆弱性评估已经由Khan和Rodgers进行[ 12, 13,并提出改善结构性能的建议。摘自Naeem等人[ 14],石砌体,砌块砌块和钢筋混凝土结构的失效导致由于克什米尔地震(2005年)引起了人类的严重损害。

结合以往的研究和建设的总体趋势,作者选择了3个案例进行地震易损性评估,这些案例目前正在巴基斯坦不同地区建设中。其中3层和8层为住宅楼,5层为商业楼。之所以选择这些建筑,是因为它们通常是在巴基斯坦各地的不同地震带的公共部门建造的,在监督下施工,被认为是合适的工程结构,但没有充分考虑到抗震设计。

3.2.建模、分析和结果

如前所述,考虑的案例包括3层、5层和8层钢筋混凝土框架结构,通常由公共部门在不同的地震带建造,通常由该地区的建筑商遵循设计。Usman(2014)收集了相关施工现场的试验数据,混凝土平均强度为25 MPa,钢材平均强度为423 MPa;因此,本研究考虑混凝土强度为21 MPa,钢强度为415 MPa。为了更好地逼近结果,将杆拔出(CEB FIP Code)和节理剪切退化[ 7.也被合并了。由于在第一部分中对节理剪切退化进行了讨论,因此,在这里只简要讨论杆的拔出。钢筋拔出的定义是,当结构受力逆转时,由于粘结抗力的恶化,钢筋从混凝土保护层中滑出的破坏。研究者如Pantazapoulou等人(2002),Stanton等人(2007),Ahmed [ 1.]而Kyriakides(2014)已经通过实验和分析研究了酒吧撤退。在类似的线上Eligehausen等。(1983),Lehman和Mohle(2000),Lowes等。(2004年),并租赁(2006年)也努力开发用于杆拉出机制的分析模型。这项研究主要集中在考虑与Khan早期研究以来的联合剪切退化的同时,[ 12, 13]在不失时,在考虑律师拉伸作为循环加载的滞后参数时已经进行。数字 9显示CEB FIP模型代码下定义的粘合应力与滑块的特征曲线(另见表 3.). 钢筋应力滑移特性在PERFORM 3D中定义,方法是对连接件易滑移区中的梁和柱使用复合横截面特性。

CEB-FIP模型代码提出的平均粘合应力滑动模型的参数[ 15].

参数 无限制的混凝土 在混凝土
良好的债券条件 所有其他键合条件 良好的债券条件 所有其他键合条件
s 1. 0.6毫米 0.6毫米 1.0毫米 1.0毫米
s 2. 0.6毫米 0.6毫米 3 嗯 3 嗯
s 3. 1.0毫米 2.5毫米 清晰的肋骨空间 清晰的肋骨空间
α. 0.4 0.4 0.4 0.4
τ. 最大限度 2.0 F ck 1.0 F ck 2.5 F ck 1.25 F ck
τ. F 0.15 τ. 最大限度 0.15 τ. 最大限度 0.40 τ. 最大限度 0.40 τ. 最大限度

特征债券应力与滑动曲线[ 15].

为了更加自信地应用联合剪切劣化和酒吧拉出模型的概念,以分析实际情况结构,作者分析了地震缺陷的RC结构(低上升2层和单个湾建筑物),比较了相同的脆弱性,如图所示 10,克里亚克斯的分析结果[ 16, 17].

低层缺陷建筑脆弱性曲线比较。

在进行对比后,进一步对3、5、8层实际结构进行易损性评估,在定义各结构材料特性和建模后,在定义最大层位移的同时进行静力循环分析。在进行分析之后,得到了各结构抗层剪力与顶节点位移的滞回曲线,并绘制了骨干承载力曲线,进一步采用Kyriakides(2012)方法绘制了地震易损性曲线。数字 11显示了每个框架的海湾宽度和楼层高度,这将进一步用于有限元建模和分析。

三层,五层和八层和八层建筑物(所有单位为MM)。

三层框架

五层框架

持框架

经过分析,得到图中随层剪力与顶节点漂移的骨干承载力曲线 12,用于绘制地震易损性曲线。这些曲线也包含了从结构模型模拟中观察到的损伤状态。图中进一步说明了这种破坏的结果 13反对限制州为读者提供更清晰的信息。

推杆骨干曲线。

三层框架

五层框架

持框架

脆弱性曲线。

三层框架

五层框架

持框架

采用Kyriakides(2012)方法对选定案例进行地震易损性评价。Kyriakides(2012)以能力谱法(CSM)为基本框架,对塞浦路斯的缺陷建筑进行了地震易损性评估。但是,研究人员发现,在处理降解结构时,这种方法存在缺点。根据Kyriakides [ 16在CSM的背景下,需要将转换后的能力包络理想化为弹-完美塑性形式。这是必要的,以便能够建立每个位移的延性水平。此表格被普遍接受,甚至是最新的CSM版本,包括在FEMA 440 [ 18假设弹性塑料(E-P)近似。然而,这种假设意味着弹性塑料(E-P)系统的能量不一定等于所有位移的容量包络的能量。这可能导致有辱人格的结构中的不准确性。“

Kyriakides(2012)基于这一不足,提出了一种针对不合格建筑中复杂退化行为的修正方法,即先进的能力谱法,该方法采用多个不同的后场刚度为零的弹-完美塑性系统来近似能力曲线的形状。数字 13显示了三种情况的脆弱性曲线,其中联邦应急管理局273的限制状态[ 19].

从脆弱性曲线可以得出如下评论。

从限制状态,为数字绘制 (13日),结构的脆性行为已经观察到,因为一旦破坏控制状态超过,结构立即走向倒塌。各自的性能表明,结构不能令人满意的地震行为,特别是在较高的PGAs。

五层楼(图 13 (b)),结构表现出更好的性能,因为它不会随着PGA的增加而突然失效。然而,一旦达到即时占用极限状态,其余极限状态将以非常短的顺序达到;因此,结构虽然会发出警告,但可能在短时间内发生故障。

八层楼(图 13 (c)),在PGA为0.75时,结构发生坍塌。结构具有延性,在倒塌发生之前,结构通过立即占用状态移动到损坏控制极限状态,从而发出了相当大的警告。

除了具有结构的漏洞之外,还进一步延长讨论,同时将GESI曲线与三种情况进行了比较了地震缺陷结构,如图所示 14

比较的漏洞。

4.结论

通过本研究,得出以下结论。

关节剪切劣化是重要的结构建模参数之一。从Kyriakides等脆弱性曲线的比较。[ 17而本研究对于低矮缺陷RC结构而言,在考虑节点剪切以及钢筋拉拔模型时,其结构表现出更强的脆性。因此,剪切退化增强了脆性结构行为。

通过查看易损性曲线,得出结构,特别是3层和5层,在达到最大PGA后出现了突然破坏。该结构表现为超过60%损伤指数的脆性破坏模式;因此,为了结构和生命安全,需要进一步改进设计以确定结构直至倒塌的延性行为。然而,人们观察到八层楼的反应更好、更安全。

从易损性曲线与GESI曲线的对比可以看出,结构表现出100%的损伤,远早于GESI曲线推荐的更安全损伤PGA。尽管GESI曲线适用于地震缺陷结构,但它可能高估了此类结构的抗倒塌能力。

自2007年以来,巴基斯坦采用了地震码;然而,这些代码不完全理解和实施,因为在建筑行业仍然观察到码的偏差。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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