砖砌体结构层间位移角的探讨
第46卷增刊12013年
土木工程学报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL
Vol.462013
砖砌体结构层间位移角的探讨
苏启旺
许
浒
吴
昊
张
扬
刘国钦
(西南交通大学,四川成都610031)
摘要:基于结构性能的抗震设计要求,采用层间位移角作为结构性能水准的评价指标易于被工程师所接受。首先钢结构、砌体结构在不同性能水准的层间位移角的取值规定,在此基础上对砌体结构墙体及讨论钢筋混凝土结构、
模型试验结果进行统计分析,给出砌体结构的不同性能水准的层间位移角建议取值,供工程应用参考。关键词:砌体结构;层间位移角;性能目标;抗震设计中图分类号:TU362
TU352.1
文献标识码:A
131X(2013)S1-0111-06文章编号:1000-
Researchoninter-storydisplacementangleofbrickmasonrystructures
SuQiwang
XuHu
WuHao
ZhangYang
LiuGuoqin
(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)
Abstract:EngineerswouldliketouseInter-storydisplacementAngleasevaluationindexforstructuralperformancebasedontherequirementsofperformance-basedseismicdesign.Inthispaper,determininginter-storydisplacementangleofreinforcedconcretestructures,steelstructuresandmasonrystructuresinthedifferentperformancelevelswerefirstlydiscussed.Inaddition,statisticalanalysisoftheexistingexperimentalresultsofmasonrywallsandmodelswasdone.Finally,someadvicesaboutdetermininginter-storydisplacementangleofmasonrystructuresindifferentperformancelevelsweregiven.whichcanbeusedasreferencesforengineeringapplication.Keywords:masonrystucture;inter-storydisplacementangle;performancetarget;seismicdesign;E-mail:qiwangsu@home.swjtu.edu.cn
开裂荷载、极限荷载和下降荷载取极限荷载70%~
90%等所对应的位移角进行统计分析,综合分析给出各性能等级对应的层间位移角限值建议值。
基于性能的抗震设计在20世纪90年代初期由美
国科学家和工程师提出之后,很快被国内外众多学者接受,世界各国投入大量人力物力,积极展开这方面
它已成为世界各国建筑抗震设计规范修的研究工作,
订的主导方向。基于性能的抗震设计最终归结为控
制结构变形的设计,因此实现结构抗震变形验算的目一是要求能够计算结构在给定地震标需要两个条件,作用下的变形反应,其次需确定实现结构预定建筑功能的结构变形允许值。结构抗震变形的验算一般均采用层间位移角指标。
为研究砖砌体结构层间位移角与性能等级的对应关系,首先综述了现有钢筋混凝土结构、钢结构和砌体结构对性能目标层间位移角的规定以及相关研究成果。在此基础上,针对目前已完成的砌体墙和模型试验结果,得到20余组关于位移角的试验数据,对
基金项目:中央高校基本科研业务费专项(SWJTU12CX078)作者简介:苏启旺,博士,讲师12-07收稿日期:2012-
引言
1国内外对结构性能目标的建议
国外学者Wen和Kang将结构的破坏等级分为Ⅰ
[1]
-Ⅶ等7个等级,分别对应不同的破坏状态,相应的层间位移角限值如表1所示。
表1Table1
破坏等级
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ
结构破坏状态与层间位移角的关系Therelationshipofdamagestatusandinter-storeydriftratio
破坏状态完好很轻微破坏轻微破坏中等破坏严重破坏很严重破环
倒塌
层间位移角(%)
<0.20.2~0.50.5~0.70.7~1.51.5~2.52.5~5.0>5.0
·112·土木工程学报2013年
不同结构类型之间由于结构形式和破坏机制的不同,导致不能采用一个统一的指标对其进行量化,因此需要分别对不同的结构类型进行研究。1.1钢筋混凝土结构
2]给出了混凝土框架结构5种不同破坏程文献[
度对应的层间位移角的取值,如表2所示。
表2Table2
结构破坏等级与层间位移角的关系Therelationshipofdamagestatusandinter-storeydriftratio
基本完好<1/500
轻微破坏1/500~1/250
中等破坏1/250~1/125
严重破坏1/125~1/50
倒塌>1/50
6]文献[通过对国内外试验的统计分析得出连梁和剪力墙在各性能水平下层间位移角以及连梁和剪力墙对核心筒结构抗震性能的影响得出钢筋混凝土
结构不同性能水平所对应的层间位移角限值,如表6所示。
7]文献[通过理论分析和试验结果得出钢筋混凝土结构不同性能水平所对应的层间位移角限值,如表7所示。
表6Table6
设防目标与层间位移角限值Therelationshipofdamagestatusandinter-storeydriftlimitedratio
性能等级
良好使用1/1200
暂时使用1/350
生命安全1/150
接近倒塌1/80
3]文献[对混凝土框架结构4种不同破坏程度对
如表3所示。应的层间位移角的取值,
表3Table3
损伤状态与层间位移角的关系Therelationshipofdamagestatusandinter-storeydriftratio
基本完好1/550
轻微损伤1/400
中等损伤1/200
严重损伤1/50
层间位移角
表7Table7
设防目标与层间位移角限值
Therelationshipofdamagestatusandinter-storeydriftlimitedratio
结构类别框架
层间容许位移角
非结构较大损坏
1/5001/200,1/150
结构中等破坏
1/5001/300,1/250
结构极限破坏1/100,1/501/200,1/100
4]文献[根据相关试验结果进行了统计分析,给
出了钢筋混凝土框架结构5种不同的破坏程度对应的层间位移角的取值,如表4所示。
表4Table4
损伤状态与层间位移角限值inter-storeydriftratio
性能等级层间位移角值
基本完好1/550
轻微破坏1/250
中等破坏1/100
严重破坏1/50
倒塌>1/50
框架-抗震墙等
1.2
钢结构
8]对国内外的性能水准的限值取值作了对文献[
表8
“小震”欧洲和上海规范对下层间位移角的限值Thelimitedvaluesofinter-storydisplacementAmericanandShanghaicode
angleunderminorearth-quakespecifiedby
Therelationshipofdamagestatusand
比并提出了建议值,如表8、表9所示。
Table8
5]文献[采用数理统计的方法对试验数据进行分析,得出钢筋混凝土结构不同性能水平所对应的层间
位移角限值,如表5所示。
表5
基本设防目标中性能水平与层间位移角限值
Therelationshipofdamagestatusandinter-storeydriftlimitedratio
地震作用水平RC框架结构性能水平损伤状态经济可接受性安全性层间位移角
小震损伤出现基本完好完全接受安全1/550
中小震正常运作轻微损伤完全接受安全1/400
中震修复后使用中等损伤可接受
大震生命安全严重损伤不可接受生命安全1/50
罕遇预防倒塌倒塌不可修复危及生命—
规范
脆性非结构构件与结构刚性连接时延性非结构构件与结构刚性连接时非结构构件与结构柔性连接时
欧洲EC81/282
上海规程和建议
1/300
1/1881/250
Table5
1/1411/200
“小震”注:欧洲EC8验算层间位移的水平为95年一遇地震
9]“三水准”文献[提出设防目标下的钢结构层间
位移角限值,如表10所示。1.3
砌体结构
10]认为:当层间位移角达针对砌体结构,文献[到0.007%,砌体结构达到开裂损伤状态,当层间位移角达到0.2%,砌体结构达到严重破坏的损伤状态;当层间位移角达到0.3%,砌体结构濒临倒塌。
安全1/200
第46卷
表9
增刊1苏启旺等·砖砌体结构层间位移角的探讨·113·
05和文献建议对“中震”美国ASCE7-下
层间位移角的限值
Theinter-storydisplacementangleunder
ASCE7-05andpaper
本文在取下降段的荷载对应的位移角位移。基于此,
时,分别取了极限荷载的90%、极限荷载的85%、极限极限荷载的75%、极限荷载的70%时等荷载的80%、5种情况,对相应的位移角进行了统计分析。2.1
试验数据
为了研究砌体结构的受力特点与破坏模式,对10余组不同形式的砖砌体结构的墙片和结构模型进行水平低周反复加载试验,包括开洞和未开洞的情况。图1~3是其中一片墙体的试验模型、滞回曲线和骨架曲线。表12给出了分析的试验结果数据
。
Table9
moderateearth-quakesuggestedbyUnitedStates
建筑类别重要建筑
05美国ASCE7-1/67(重要)1/100(非常重要)
1/50
本文建议1/100(6度、7度区)1/150(8度、9度区)7度区)1/70(6度、1/100(8度、9度区)
一般建筑
表10Table10
“不坏、结构可修和不倒”层间位移角限值Thelimitedvaluesofinter-storydisplacement
Maintainabe,notcollapse”
angleintheperformancelevelof“nodamage,
结构类型多、高层钢结构
抗震设防目标
不坏1/300
可修1/50
不倒1/160
11]文献[中给出墙片破坏状态与层间位移角的
关系,如表11所示。
表11Table11
约束砖砌体房屋不同破坏等级下的基本特征值Basiccharacteristicvaluesofconstraintbrick
图1
Fig.1
试验模型
Theexperimental
model
masonrybuildingsunderdifferentdamagelevel
特征参数归一化层间抗剪能力最大层间位移比(%)
破坏等级
基本完好0~0.5
轻微破坏0.5~0.7
中等破坏0.7~0.9
严重破坏0.9~1.0
倒塌<1.0
<0.100.1~0.170.17~0.370.37~0.5>0.40
图2滞回曲线
2砖砌体结构的试验与统计计算
Fig.2Thehysteretic
curve
综上所述,国内外对钢结构和钢筋混凝土结构的层间位移角与性能目标之间给出了较多的研究,我国
[12-13]
“三水准”抗震规范也给出了设防目标和“小震不
“大震不倒”与的变形限值,但对砌体结构没有明坏”
确地给出量化标准。
本文以层间位移角为性能指标,根据10余组砌体墙和结构低周反复荷载试验,得到20组关于层间位移角的实测数据,对位移角进行统计分析。试验中发现,对于有构造柱的砌体墙片和模型均表现出较好的在估算砌体结构延性时一般对下降段取极限荷载的90%对应的位移进行计算,国外有的文献
[15]
延性,其滞回曲线饱满,我国
[14]
图3Fig.3
骨架曲线
Theskeletoncurve
则取极限荷载的75%对应的
2.2试验统计分析
采用数理统计的方法对试验数据进行分析,认为层间位移角试验数据近似服从正态分布,计算其平均值和标准差。层间位移角统计结果见图4;由于影响
表12
Table12
墙片尺寸(mm)900×665900×665900×600900×665900×6001650×33001650×33001650×33001650×33001650×3300
高宽比(h/b)1.351.351.51.351.50.50.50.50.50.5
开裂点1/3030-1/43481/1613-1/17541/2083-1/19231/2857-1/31251/1389-1/18871/2632-1/29411/3125-1/28571/2778-1/28031/1639-1/26311/3226-1/3448
墙片开裂和破坏的因素较多,包括砌筑所用砂浆的强
度、墙顶部所施加的正应力的大小以及砌筑的质量等,导致所得到的试验结果存在一定的差异。
试验得到的层间位移角结果
Theinter-storydisplacementfromexperimentaldata
最高荷载点1/201-1/2121/73-/1031/81-1/691/123-1/1201/93-1/1161/611-1/9071/684-1/8701/682-1/3651/671-1/15711/453-1/344
极限荷载的90%1/172-1/2041/73-1/931/72-1/581/117-1/1131/80-1/971/512-1/5771/384-1/4551/396-1/2851/537-1/8421/200-1/295
极限荷载的85%1/168-1/2001/73-1/901/69-1/551/114-1/1091/78-1/941/502-1/5611/318-1/4381/396-1/931/511-1/7021/185-1/276
极限荷载的80%1/165-1/1851/73-1/861/67-1/551/111-1/1061/76-1/921/493-1/5411/272-1/4071/396-1/611/376-1/6021/170-1/254
极限荷载的75%1/163-1/1801/73-1/801/65-1/551/109-1/1031/75-1/891/482-1/5161/237-1/3761/396-1/581/251-1/4781/127-1/126
极限荷载的70%1/163-1/1731/73-1/771/62-1/551/106-1/991/74-1/861/411-1/1181/210-1/3501/396-1/551/202-1/3621/116-1/126
“-”注:数字前表示反向
2.3结构性能水平量化指标的建议
采用构件损伤破坏过程中开裂荷载点、极限荷载
点以及极限荷载下降到一定比率的点这3个特征点作为对应性能等级的控制点。开裂荷载点对应的损伤状态为基本完好;极限荷载点对应的损伤状态为严重破坏。由于各国对下降段取法不同,采取下降荷载对
85%、80%、75%和70%等5应于极限荷载点的90%、
种形式下,综合给出倒塌点的极限位移点,得到倒塌
破坏的层间位移角的建议值。
由试验结果可得,砌体结构开裂点的层间位移角
1/1389)之间,位于(1/4348,平均值为1/2353,标准差为1/7502,由表12可知,砌体结构在开裂荷载时具有
84.13%保证率的层间位移角为1/3428。故可以看出,开裂荷载的取值相对比较集中,离散程度相对较小,这反映了当作用在结构上的荷载未达到开裂荷载时,砌体结构有很小的变形,位移和荷载的变化大致呈线性关系,卸载时,残余变形很小,消耗的能量很小,非线性性能几乎没有,砌体结构处于弹性阶段。
建议以1/2500作为弹性层间位移角限值,并作为“基
本完好”的层间位移角限值。从图4可得,砌体结构极限荷载点的层间位移角
1/69)之间,位于(1/1571,平均值为1/172,标准差为1/214,离散程度比开裂荷载时大,由表12可知,结构
在极限荷载点具有84.13%保证率的层间位移角为1/876,比开裂荷载时的位移角大,这反映了随着作用当结构变形继续增大,裂缝在结构上的荷载的增加,宽度也越来越大,而此时的位移荷载关系也同时表现出比较明显的非线性关系,卸荷时,墙片有很明显的塑性残余变形。由于离散程度相对较大,综合考虑,建议“严重破坏”以1/200作为砌体结构的层间位移限值。
超过极限荷载后,结构的水平承载能力呈一定程度的下降,层间变形仍继续增大,从图4可得,砌体结构在这5种情形下的层间位移角平均值分别为1/148、1/138、1/127、1/119和1/109,拥有84.13%保证率下
1/466、1/400、1/318以及的层间位移角分别为1/554、
1/246。但离散性较大,分析其中的原因是:一是由于
(a)极限荷载点层间位移角的统计结果(b)极限荷载90%
的层间位移角的统计结果
(c)极限荷载85%的层间位移角的统计结果(d)极限荷载80%
的层间位移角的统计结果
(e)极限荷载75%的层间位移角的统计结果(f)极限荷载70%的层间位移角的统计结果
图4
Fig.4
层间位移角统计结果图
Thestatisticresultsdiagramofinter-storydisplacementangle
砌体结构本身的影响,非均质材料,构造柱和圈梁等影响;二是由于样本数据偏少所致。建议以1/150作“倒塌破坏”为的层间位移角限值。综合以上分析,得到砌体结构3种损伤状态所对应的层间位移角建议限值,如表13所示。
表13
Table13
砖砌体结构位移角建议限值
Therecommendedlimitedvalueofinter-story
3结论
本文在试验数据分析的基础上,综合分析并给出
了砖砌体结构在各性能水准下的层间位移角限值,可供设计计算参考。同时也为砌体结构相关的研究提供了数据样本。
参考文献
[1]WenYK,KangYJ.Minimumbuildinglife-cyclecost
J].designcriteria,Ⅰ:MethodologyandⅡ:Applications[
displacementangleofbrickmasonrystructures
性能水平层间位移角限值
基本完好1/2500
严重破坏1/200
倒塌破坏1/150
JournalofStructuralEngineering,ASCE,2001,127(3):330-346
[2]吕大刚,李晓鹏,王光远.基于可靠度和性能的结构整
J].自然灾害学报,2006,15(2):体地震易损性分析[
107-114(LuDagang,LiXiaopeng,WangGuangyuan.Globalseismicfragilityanalysisofstructuresbasedonreliabilityandperformance[J].
JournalofNatural
Diasters,2006,15(2):107-114(inChinese))
[3]门进杰,史庆轩,周琦.框架结构基于性能的抗震设防
.土木工程学报,2008,41目标和性能指标的量化[J]
(9):76-82(MenJinjie,ShiQingxuan,ZhouQi.Performance-based
seismic
fortification
criterion
and
quantifiedperformanceindexforreinforcedconcreteframestructures[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2008,41(9):76-82(inChinese))
[4]吕静,刘文峰,王晶.钢筋混凝土框架结构抗震性能目
.工程抗震与加固改造,2011,33标的量化研究[J]
(5):80-86(LuJing,LiuWenfeng,WangJing.
Quantizationresearchonseismicperformancetargetofreinforcedconcreteframes[J].Chinese))
[5]杨君,.陕安平.钢筋混凝土框架结构的性能指标[J]
2008(6):16-22西建筑,[6]史庆轩,侯炜,田园,等.钢筋混凝土核心筒性态水平及J].地震工程与工程震动,2011,31性能指标限值研究[
(6):88-95(ShiQingxuan,HouWei,TianYuan,etal.
Studyonseismicperformancelevelsandperformanceindexlimitvaluesofreinforcedconcretecorewallstructure[J].EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration,2011,31(6):88-95(inChinese))
7]钟益村,[王文基,田家骅.钢筋混凝土结构房屋变形性
J].建筑结构,1984,(2):38-45能及容许变形指标[[8]沈祖炎,孙飞飞.关于钢结构抗震设计方法的讨论与建
J].建筑结构,2009,39(11):115-122(ShenZuyan,议[
SunFeifei.Discussionandrecommendationonseismic),苏启旺(1979-男,博士,讲师。主要从事结构抗震研究。许吴张
),浒(1985-男,博士研究生。主要从事结构抗震研究。),昊(1981-男,博士研究生。主要从事结构抗震研究。),扬(1991-男,硕士研究生。主要从事结构抗震研究。
EarthquakeResistant
EngineeringandRetrofitting,2011,33(5):80-86(in
designforsteelstructures[J].BuildingStructure,2009,39(11):115-122(inChinese))
9]郑久建,[白雨东.结构地震控制的设防目标和基本设计
.工程抗震与加固改造,2005,27(3):30-33方法[J]
(ZhengJiujian,BaiYudong.Seismicfortificationgoalandbasicdesignmethodofstructuralcontrol[J].EarthquakeResistanceEngineeringandRetrofitting,2005,27(3):30-33(inChinese))
[10]LaurentP,AmadioC,FragiacomoM.Non-linearseismic
analysisandvulnerabilityevaluationofamasonrybuilding.EarthquakebymeansoftheSAP2000V.10code[J]
EngineeringandStructuralDynamics,2008,37(3):467-485
[11]熊立红,吴文博,孙悦.汶川地震作用下约束砌体房屋
J].土木工程学报,2012,45(S2):103-抗震能力分析[
108(XiongLihong,WuWenbo,SunYue.Wenchuanearthquake[J].
Seismic
performanceofconfinedmasonrybuildingsduringthe
ChinaCivilEngineering
Journal,2012,45(S2):103-108(inChinese))
[12]GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建
筑工业出版社,2010(GB50011—2010Codeforseismic
.Beijing:ChinaArchitectureanddesignofbuildings[S]
BuildingPress,2010(inChinese))
13]GB50023—2009建筑抗震鉴定标准[S].北京:中国建[
筑工业出版社,2009(GB50023—2009Standforseismic
appraisalofbuildings[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2009(inChinese))
[14]钟德腾,董竟成,吴希南,等.带钢筋混凝土构造柱砖房
J].建筑科学,1986模型及墙体抗震性能的试验研究[
(4):53-61(ZhongDeteng,DongJingcheng,WuXi’nan.ExperimentalstudyonseismicbehaviourofbrickbuildingmodelsandwallswithR.C.tiecolumns[J].BuildingScience,1986(4):53-61(inChinese))
15]MagenesG,CalviGM.In-planeseismicresponseofbrick[
masonrywalls[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics,1997,26(11):1091-1112
),刘国钦(1991-男,硕士研究生。主要从事结构抗震研究。