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Engineering Structures 22（2000）352-363

www.elsevier.com/locate/engstruct

使用基于力和位移的地震评估方法的钢筋混凝土框架性能

AM Chandler a, PA Mendis b,*

a香港薄扶林道香港大学土木工程系

b澳大利亚维多利亚州帕克维尔市墨尔本大学土木与环境工程系

1998年1月23日收到;收到1998年10月6日订正修订的表格;1998年10月6日接受

摘要

本文回顾了传统的基于力的（FB）抗震设计方法和新提出的基于位移的（DB）地震评估方法。根据欧洲和澳大利亚地震法规定设计和详细设计并具有低，中，高延性能力的钢筋混凝土（RC）抗弯框架的案例研究。目的是使用众所周知的El Centro NS地震地面运动作为地震输入来评估这些框架的性能特征。已经针对在典型设计框架上进行的基于力的分析计算了总体延展性要求。在本文的第二部分，案例研究框架的表现已根据基于流离失所的原则进行了重新评估。为此目的，已经实现了最近提出的用于现有RC框架结构的基于位移的地震评估的方法，从中已经得出结论，基于位移的方法预测了对这种框架的非常相似的总体位移需求。这些结果虽然仅限于考虑少量地震框架结构和单一典型的强震地震动，但仍然可以确信基于位移的方法可以快速，轻松地促进现有RC结构的地震评估，进行详细的非弹性动态分析的必要性。 1999Elsevier Science Ltd.保留所有权利。

关键词：RC框架;地震评估;屈服;延展性要求;位移

介绍

钢筋混凝土（RC）抗弯框架是欧洲，澳大利亚， 美国西部和世界许多其他地区的地震活动部分中低层建筑中常见的侧向抗力结构系统。在欧洲和澳大利亚，随着新的统一抗震规范EC8 [1]和新的地震标准AS 1170.4 [2]的引入，大多数中低层建筑将进行抗震设计。

作为侧向力的地震力（与风力相反）的设计方法的主要差异在于允许设计者利用结构的延性能力和设计来减小侧向力。通过这种方式，在提供足够的duc-时，弹性设计强度可以大大降低

*通讯作者。电话： 61-3-9344-6789;传真： 61-3- 9344- 4616。

结构的承载能力，在最大可信的地震条件下维持可观的塑性变形量。EC8和AS1170.4都规定了三种水平的侧向力和相应的延性比，用于RC抗弯矩框架的设计。在这种框架的关键位置，当它们在持续的非弹性载荷（由严重地震产生）下形成塑性机构时，在延伸性要求下，传统上被认为是潜在地震结构损坏的关键措施。然而，最近人们已经开始关注这种传统的抗震设计方法，基于这样的观点，即在结构的全局和局部（层）位移或变形之间可以观察到强烈的相关性，以及地震中记录的损害[3-7]。所谓的基于位移的（DB）设计方法的发展在很大程度上受到以下观点的刺激：抗震结构的破坏和最终破坏在更大程度上取决于位移或延性能力的超过而不是超过

0141-0296 / 00 / $ - 见前面的事项 1999Elsevier Science Ltd.保留所有权利。PI:S 0 141-02 96 (98) 00 11 9-9

实力。后者体现在所有现有的抗震设计规范中，传 统上将设计者的注意力集中在实现所需的强度上， 而不是弹性刚度和非弹性能量消散能力的所需组合， 这是基于位移的（DB）方法的焦点。

基本上，对于标准类型的建筑结构，例如RC抗弯框架，传统的基于力的（FB）设计方法[8]和新提出的DB设计方法具有相似的总体目标，以提供结构的可接受性能。通过限制结构损坏和防止在指定的极限状态地震下的整体坍塌，通常基于500年的1年

事件。但由于这两种方法倾向于从设计过程的两端

为此目的已经实施了基于位置的RC框架结构评估， 从中可以得出结论，基于位移的方法预测了这种框架的非常相似的总体位移需求。

结构响应修改

地震标准所暗示的响应修正系数Rf是设计地震下的总弹性强度要求C欧洲联盟与第一产量负荷水平Cs的比值

（图1） ）。

ceu ceu Cy

来解决问题，因此出现了关于方法可比性的问题

Rf = C = C C

(1)

以及他们实现这些目标的相对有效性。在基于力的方法中，结构位移和元件梁/柱延性要求是程序的最终产品，其不能由设计者直接控制。在基于位移的方法中，

相比之下，位移和延展性需求成为基本的设计参数，

s y s

从方程式中可以看出（1），响应修改因子取决于两个参数：

• 1. 可用的延展性，由延性降低系数Rmicro;表示，定义如下：

ceu

程序旨在确保在这些参数下不会超过这些参数的设计目标或容量。

设计级地震地面运动。

Rmicro; =

y

C

2哪里，Rmicro;

(2)

=mu;表示等位移Rmicro;=

本文简要回顾了地震标准EC8和AS1170.4对传统的基于力的方法下钢筋混凝土框架结构设计和细部设计的要求。然后，对设计具有低，中和高延展性能力的框架进行案例研究，以评估性能水平和产量 -

mu; - 1表示相等的能量，

• 1. 实际结构产量与第一个成员产量之间存在的储备强度（假设弹塑性理想化），由过强度因子！1表示，定义为：

Cy

这些框架的机制，使用众所周知的El Centro NS地震地面运动作为地震

Omega; =

s

C

(3)

输入。众所周知，这次地震的光谱特征与欧洲[1]， 澳大利亚[2]和美国采用的设计光谱形状非常吻合[9]地震代码在坚固的土壤场地上发生地震。

式。（1）可以根据等式1给出的超强度因子和延性降低因子来重写。（4）。

从静态非弹性推覆分析和

ceu Cy

动态时间历史分析，已经得出结论

micro;

R = X = R Omega; (4)

当受到El Centro地震时，具有低和中等延性的地震框架都形成了柱铰链坍塌机制。特别是具有高延展性能力的特殊抗弯框架（SMRF）通常被发现在梁而不是柱子中形成塑料铰链，这与设计中使用的ACI

318 [10]强柱 - 弱梁详细设计理念一致。这个SMRF。对典型设计框架进行的FB分析也计算了整体延展性 要求。

在论文的第二部分中，设计框架的性能已在灯光

下重新评估

f Cy Cs

很明显，在冗余结构中，在选择适当的结构响应 修正因子时，结构系统的超强度与延展性同样重要。

除了这些因素外，还通过AS 3600 [11]中给出的强度折减系数cp间接地为结构提供了额外的过强度。实际上在设计阶段，这些强度降低因子（例如，弯 曲时cp = 0.8）降低了整体结构从Cs到Ce的可靠弹性强度（图1）。

基于流离失所的原则。Priestley [7]等研究人员最近提出的方法

C = Cs

e 1.25

(5)

图1.全范围结构响应。

EC8和澳大利亚地震标准AS1170.4规定了三级设计弹性强度Cs，对RC抗弯框架具有适当的延性要求。表1总结了澳大利亚标准对地震RC框架的要求，其中C是抗震设计基础剪力系数，S是土壤参数（= 1.0对于岩石场地和

1.2对于刚性土壤场地）和I，结构重要性因子（对于具有重要的地震后功能的结构，= 1.25）。

在欧洲地震代码EC8中，关于所需的滞后耗散能力， 三种延性等级DC“L”（低延展性），DC“M”（中等延 性）和DC“H”（高延性）用于混凝土结构：

DC“L”。延性等级“L”对应于根据EC2 [12]设计和确定尺寸的结构，并通过增强可用延展性的规则进行补充。DC“M”。延性等级“M”对应于根据特定的抗震规定设计，确定尺寸和详细的结构， 使结构能够在非弹性范围内良好地进入

表格1

AS 1170.4对钢筋混凝土框架的要求

在反复加载下，不会发生脆弱的故障。

DC“H”。延性等级“H”对应于这样的结构，其设计，尺寸和细节设置使得响应于地震激励，确保与滞后能量的大消散相关联的所选稳定机构的发展。

为了在三个延性等级中提供适当的延展性，每个等级必须满足所有结构要素的具体规定[13]。与三个延性等级中不同的可用延展性相对应，行为因子q 的不同值用于每个等级。行为因子相当于方程式中的延性降低因子Rmicro;。（4）。

在低地震活动区，如北欧，

混凝土建筑物可以根据EC2 [12]的规则在地震荷载组合下设计，忽略EC8 [1]中给出的具体规定，只要根据EC8的原则对行为系数q进行具体评估。

类型	地震	铯	射频	详图
普通抗弯框架（OMRF）	所有区域h lt;50 m，aSgt; 0.10	Cs = CSI / 4 25％的Ceu	4	AS 3600（低延性）
中间时刻抵抗框架（IMRF）	所有领域	Cs = CSI / 6％的Ceu	6	AS 3600，附录A（限制延展性）
特殊抗弯框架（SMRF）	所有领域	Cs = CSI / 8，占Ceu的12.5％	8	ACI 318-95 Ch.21（完全延性）

a =设计地面加速度（g）。

从根本上引入的考虑能量耗散能力的行为因子q是针对每个设计方向导出的，如下所示：

q = q0kdkrkw gt; 1.5 (6)

其中，q0=行为因子的基本值，取决于结构类型，kd= 反映延性等级的因子，kr=反映高程结构规律的因子， kw=因素反映了有墙的结构系统中的主要失效模式。

对于常规RC抗弯矩帧，因子kr和kw都等于1，行为 因子q0的基本值为5.0。反映延性等级的因子kd如下：

对于DC“H”，kd= 1.00， (7)

DC“M”为0.75，DC“L”为0.50

因此，对于表1中给出的等效三类常规RC框架结构， q的EC8值如下：

OMRF q = 2.5

IMRF q = 3.75 (8)

SMRF q = 5.0

因此，将EC8 q值与表1中的澳大利亚代码Rf值进行比较，以及等式1。（4），可以推导出，当根据EC8 或AS1170.4设计时，具有超强度因子，1 = 1.6的RC 框架系统将具有相同的横向设计强度（基础剪切）， 假设土壤和重要性因素相等。在单自由度系统中， 响应修正系数和位移延性比是相同的，因为超强系 数，

！1，等于统一[14]。然而，这些参数难以在冗余结构中量化。因此，用于预测经受动态载荷的复杂冗余结构的非线性响应的当前实践基于通过结构响应修改因子对等效单自由度系统的弹性响应的简单缩放。该响应修正因子Rf与地面运动和结构动态特性无关。在本文的案例研究中检验的RC框架系统的这些要点的进一步讨论和超强度因子的估计，在其他地方给出[15]。

重要的是，设计中假设的延展性水平可以由结构系统提供。总位移延性mu;定义为最大/让，其中最大和让是最大值，并且结构顶部的屈服位移。整体而言

放置延性通常远小于由旋转延性定义的单个构件的局部延性要求，0最大/ 0让或曲率延性，cp最大/ cp让

（0让和cp让是屈服水平的旋转和曲率，0最大和cp最大是最大旋转和曲率） 。澳大利亚（ AS3600 [11] 和AS1170.4 [2]）和欧洲（EC8第1.3部分[1]）规定的详细要求和漂移限制试图确保成员的当地延展性要求，以便整体位移延展性不会受到影响。

DeSilva等人已经讨论了本文研究的三类钢筋混凝土框架的设计和详细要求。[16]。总的来说，非常类似的要求涉及欧洲地震RC框架的设计，详见CEB [13]。

在特殊抗弯框架（SMRF）的情况下，推荐的抗震设计方法是确保在结构遭受严重的非弹性变形时

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