基于能力储备的中心支撑钢框架结构抗震性能研究

发布时间：2020-08-10 07:49

【摘要】：中心支撑钢框架结构是一种常用的钢结构形式之一,具有良好的初始抗侧能力,由于设计简单,经济性好,中心支撑钢框架结构得到了广泛的应用。地震作用下,支撑作为轴向受力构件,容易发生受压屈曲破坏,并导致结构承载力和刚度的大幅降低,严重影响结构的抗震性能。支撑失效后,结构剩余部分作为储备体系能够继续承担地震作用,为结构提供承载力储备和刚度储备,储备体系的抗倒塌能力储备称为结构的能力储备。研究表明,能力储备对于中心支撑钢框架结构的抗震性能具有决定性作用。美国规范ASCE 7-10中规定,在美国中、低烈度地震设防地区按照强度折减系数R等于3设计的钢结构,不需要考虑抗震细部构造设计,如支撑可以采用较大的长细比和宽厚比。我国规范中对于不同延性能力的中心支撑钢框架结构未进行区分,与美国规范相比,我国中心支撑钢框架结构设计偏于保守,钢结构整体造价也相对较高,导致钢结构在我国建筑市场所占比例较低。如何在保证结构具有足够抗震性能的同时,在我国应用经济性较好的低延性中心支撑钢框架结构,是亟待解决的现实问题。本文以低延性中心支撑钢框架结构为研究对象,基于能力储备对该类结构的抗震性能与设计方法开展了理论研究、数值模拟和振动台试验研究,具体如下:(1)首先对单自由度低延性中心支撑钢框架结构的抗震性能开展了研究,介绍了能力储备的定义与延性需求谱的建立方法,分析了各参数对中心支撑钢框架体系延性需求谱的影响。在此基础上,提出了单自由度低延性中心支撑钢框架体系的R-μ-T模型,并通过与时程分析计算得到的平均延性需求谱结果对比,验证了所提出模型的合理性。(2)开展了基于增量动力分析的单自由度中心支撑钢框架体系抗倒塌能力研究。以按强度折减系数R=3设计的单自由度中心支撑钢框架体系为研究对象,考虑了结构储备体系承载力储备系数和刚度储备系数,对其开展了增量动力分析,以结构发生动力不稳定性为判定标准,提出了中心支撑钢框架体系的倒塌延性谱,该谱反映了单自由度的中心支撑钢框架体系在不同周期不同储备参数时,由重力二阶效应而导致不稳定性发生时的体系最大框架延性反应。基于倒塌延性谱与延性需求谱确定了结构的抗倒塌临界设计周期与适用周期,并通过易损性分析的结果验证了所得到临界周期的准确性。(3)以多层中心支撑钢框架结构为研究对象,基于推覆分析判断多层结构支撑失效位置以及薄弱层位置,并将多层中心支撑钢框架结构转化为等效单自由度体系,给出了储备参数、等效强度折减系数、等效屈服位移等的确定方法,结合R-μ-T模型,提出了多层低延性中心支撑钢框架结构抗震性能简化评估方法,即“能力储备法”。通过两个中心支撑钢框架结构动力时程分析算例结果的对比,验证了能力储备法的准确性。(4)开展了长度缩尺比为1:6.5的3层3榀2跨低延性中心支撑钢框架结构振动台试验,分别采用硬土场地和软土场地2条地震记录先后对结构进行单向加载,逐级增加地震峰值加速度,研究了结构的灾变机理和储备体系抗倒塌性能。并采用能力储备法对模型结构抗震性能进行评估,简化方法得到的薄弱层位置与试验现象相同,对结构抗震性能的判定较为准确,进一步验证了能力储备法的实用性。(5)对比了我国规范和美国规范在中心支撑钢框架结构设计过程中的异同点,按照美国规范给出了低延性中心支撑钢框架和普通中心支撑钢框架结构主要构件的设计算例。在此基础上,按照略低于我国规范的设计要求设计了一个3层低延性中心支撑钢框架结构,并开展了振动台试验。结果表明,结构在底层支撑失效后,储备体系并未出现明显的损伤和残余变形。由此可见,我国规范对于中心支撑钢框架结构的设计偏于保守。根据振动台试验的结果,结合我国规范,对低延性结构如何在我国应用与设计提供了建议。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391;TU352.11
【图文】：

加速度反应谱,美国,阻尼比,设计反应谱

大连理工大学博士学位论文ｍ２，还不到这次地震受灾地区的０．１％，但却出现了较为严重的震害，研宄发的地下有数十米厚的海湾沉积和砂土粘土层，基岩上部的软土层对地震动有大作用，导致该地区的震害比周围地区如基岩或硬土场地地区更为严重［２１９】。因地震作用计算时，应充分考虑场地类别的影响。我国现行《抗震规范》［１１］中地并未增大平台段的幅值，这样的规定是否合理，还有待进一步探讨。此外，中设计反应谱均采用５％阻尼比，不考虑阻尼比的影响，我国《抗震规范》对设计反应谱的平台段峰值具有一定影响，阻尼比越小，反应谱的平台段越设计承载力越大。逡逑

中心支撑,恢复力模型,钢框架,体系

Ｆｉｇ．邋２．１．邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＣＢＦ：邋（ａ）邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋Ｍｏｄｅｌ；邋（ｂ）邋Ｆｏｒｃｅ－ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｗｉｔｈｏｕｔ邋Ｐ－Ａ逡逑Ｅｆｆｅｃｔ：邋（ｃ）邋Ｆｏｒｃｅ－ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｗｉｔｈ邋Ｐ－Ａ邋ｅｆｆｅｃｔ逡逑中心支撑钢框架体系示意图及恢复力曲线如图２．１所示，体系由支撑和框架两部分逡逑构成。框架部分采用理想弹塑性恢复力模型，假定低延性支撑两端与节点绞接连接，且逡逑支撑的拉压弹性极限承载力相同，超过弹性极限后失效退出工作，不再具备刚度和承载逡逑力。由于图２．１所示支撑在弹性阶段受力相同，且达到极限承载力后同时失效，因此，逡逑单斜杆支撑、跨层Ｘ形支撑等中心支撑结构也具有相同的恢复力特性。其中，框架抗侧逡逑－２４－逡逑

对于一个特定的参数组合尺ｒ，ａ，Ａ可以得到结构的延性需求谱。ａ、＃是反映结构逡逑储备体系能力储备的参数，其取值会对结构抗震性能产生影响，结构储备承载力越大，逡逑反应越小。当ａ取值极小时（0？０．１），如ａ＝邋０．０５，结构反应如图２．４所示，结构几乎逡逑不具有储备刚度，出现了过大的延性需求，甚至发散，即结构倒塌。过小的承载力储备逡逑难以阻止结构发生倒塌

【参考文献】