SRC柱－钢梁混合框架直接基于位移的抗震设计方法研究

发布时间：2016-10-25 07:08

1  绪论 

1.1  SRC 柱-钢梁混合框架结构简介 
SRC 柱-钢梁混合框架结构是从 SRC 结构基础上发展起来的一种新的钢-混凝土组合结构。SRC 柱-钢梁混合框架结构一般由型钢柱、钢梁和楼板组成。与纯钢框架以及 RC 框架结构相比，SRC 混合框架结构在抗震性能以及经济性方面具有很强的优势[2]。与纯钢框架结构相比，SRC 柱-钢梁混合框架的强度和刚度更大、防腐蚀与耐火性能更强，而且整体稳定性更佳；与普通钢筋混凝土结构相比，具有截面尺寸小、抗震性能好以及施工方便等特点。 改革开放以来，随着我国经济和建设事业的迅猛发展，钢筋混凝土结构和钢结构已经不能满足一些特殊的建筑类型的要求，SRC 结构凭借自身优势已经开始在大跨度结构以及高烈度地区的建筑中得到推广使用。随着 SRC 结构理论研究和设计方法的深入，SRC 结构将逐步成为一种重要的结构体系。 
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1.2  结构抗震设计理论的发展
地震是危及人们生命财产安全的一种突发性灾害，破坏性大的地震会带来巨大灾难。借助于科技的进步和经济的不断发展，人类在不断遭受地震灾害的同时，积极探索地震成因以及地震作用原理，总结震害经验，提出抗震设防理论和方法，人们对地震作用和结构抗震能力认识的不断深化构成了结构抗震理论的发展历史。 自 20 世纪初以来，结构抗震理论主要经历了以下几个阶段：静力理论、反应谱理论、时程分析理论、基于性能理论。反应谱理论是在 20 世纪中叶产生的，由于计算机技术的飞速发展，大量地震动数据得以记录，1932 年，第一台强震地面运动记录仪在美国诞生，其在随后的几十年间陆续取得了包括 EI-Centro 在内的许多强震地面运动记录。在此基础之上，美国学者 Biot 通过对已有的强震记录进行分析，提出了反应谱的概念。 总之，将强震记录得到的地震波作用于单质点体系，可以得到结构自振周期和结构响应之间的函数关系。为了使反应谱能够应用于抗震设计，根据大量地震记录进行统计分析，求出最有代表性的曲线作为设计依据，我国的抗震设计规范(GB50011-2010)中的反应谱即运用了以上理论。 反应谱法实质上仍是一种拟静力分析方法，不能考虑地震作用的持时性和随机性，而且反应谱法无法直接考虑地震作用下结构的周期、振型、阻尼等动力特性发生改变而导致的结构内力重分布现象。 
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2   SRC 柱-钢梁混合框架的性能水平及量化 

在 SRC 柱-钢梁混合框架结构性能化的抗震设计中，关键问题是确定结构的性能目标和在各种性能水平下结构的变形限值。结构的性能与自身的破坏特点有关，故在基于性能的抗震设计中可以采用延性系数、力、曲率和变形等一系列能够反映构件破坏状态的相关参数来定义。我国《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）在结构抗震性能设计方法中给出了实现结构抗震性能要求的层间位移角参考指标，但并未对 SRC 柱-钢梁混合框架结构进行具体的规定。 

2.1   SRC 柱-钢梁混合框架结构的性能水平划分和设防目标  
地震设防水准是指结构可能遭受的地震作用的大小，世界各国的抗震规范对地震设防水准都作了规定，但由于经济和技术水平的因素，国内外在这方面的规定并未完全一致。目前我国建筑抗震设计规范中采用的是小震、中震、大震三种设防水准，其中的小震、中震和大震是采用国内不同地区 45 个城镇的地震分析数据并用概率的方法进行分析总结，最终对我国抗震设防水准进行了划分，，如表 2.1 所示。 欧洲规范对地震水准的划分较为简单，根据防止倒塌以及限制破坏这两个结构性能目标，分别将其划分为 50 年超越概率为 10%的基本地震和 10 年超越概率为 10%的折减地震。 美国也是多地震的国家，并且性能化设计理论在美国受到广泛关注并取得了很大发展。美国联邦紧急事务管理局（Federal Emergency Management Agency，FEMA）、美国应用技术委员会（Applied Technology Council，ATC）以及加州结构工程师协会（Structural Engineers Association of California，SEAOC）都对此进行了研究，其中美国应用技术委员会在 ATC-40 中将地震设防水准划分成三级，相应的，加州结构工程师协会和美国联邦紧急事务管理局分别在 Vision2000和 FEMA356 中均将其划分为四级，具体划分情况如表 2.2 所示。通过比较表 2.1 和表 2.2 中我国规范和美国规范划分的地震设防水准，可以看出，美国对地震设防水准的划分较为具体，特别是我国规范多遇地震和罕遇地震的超越概率相差较大，两者之间只有一个设防地震，这对结构进行基于性能的抗震设计来说远远不够。为了弥补不足并更好的运用基于性能的抗震设计理论，门进杰，史庆轩[22]提出中小震的概念并将其置于多遇地震和设防地震之间，从而将我国规范规定的地震设防水准划分为四级，具体如表 2.3 所示。本文将采用表 2.3 中的四个地震设防水准对 SRC 柱-钢梁混合框架进行基于性能的抗震设计。 
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2.2  SRC 柱的失效判别标准及参数 

结构的性能水平需要一些具体的指标或参数来描述，如延性系数、曲率等，相较于其它位移参数，结构的层间位移角能够很好的体现结构的破坏程度，且能直观的反应结构的性能水平。因此，对于 SRC 柱－钢梁混合框架，本文将层间位移角作为结构各性能水平的量化指标。 从表 2.6 和表 2.7 中可以看出，我国规范中只列出了多遇地震和罕遇地震下结构的层间位移角限值，对于设防地震即中震作用水平下结构的变形限值并未作出明确的规定，而且我国规范中给出的主要是钢筋混凝土结构、钢结构、以及筒中筒和抗震墙结构的层间位移角限值，并未对 SRC 柱-钢梁混合框架结构作出规定。 水平荷载作用下实腹式型钢混凝土柱的破坏形态主要有弯曲破坏、剪切斜压破坏和剪切粘结破坏三种，型钢混凝土柱的破坏形态与剪跨比有一定的关系。 当 λ 比较小（λ<1.5）时，型钢混凝土柱常常发生剪切斜压破坏，破坏方式为柱子的腹部首先产生许多交叉类型的斜向裂缝，这些斜向裂缝将其分为若干菱形形状部分，随后伴随着荷载继续增大，柱子表面之前形成的斜向裂缝将继续增大，直至形成较为显著的几条主斜裂缝为止，此时被分割的混凝土块类似受压短柱，而型钢混凝土柱中的型钢腹板部分近似处于纯受剪状态，最终型钢混凝土柱中被分割的混凝土部分压碎导致脱落，相应的型钢腹板在剪应力的作用下最终亦达到屈服状态。 

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3  SRC 柱-钢梁混合框架 Pushover 分析 ....... 22 
3.1  Pushover 分析方法的原理及步骤 ........ 22 
3.1.1  Pushover 分析方法的原理 .......... 22 
3.1.2  Pushover 分析方法的步骤 .......... 23 
3.2  Pushover 分析方法的侧向加载模式 ...... 24 
3.3  性能化设计与结构弹塑性分析的关系 ..... 26 
3.4  结构弹塑性分析在 ABAQUS 上的实现 ...... 27 
3.4.1  概述 ....... 27 
3.4.2  ABAQUS 的纤维杆件模型 ..... 27 
3.4.3  有限元分析结果与试验结果对比分析 ........ 32 
3.5  本章小结 ........ 33 
4  SRC 柱-钢梁框架直接基于位移的抗震设计实例 ..... 34 
4.1  SRC 柱－钢梁混合框架的初始侧移模式 .......... 34 
4.2  等效单自由度体系的等效参数 .... 35 
4.3  目标位移及位移反应谱 .......... 37 
4.3.1  目标位移 .......... 37 
4.3.2  位移反应谱 ........ 38 
4.4  SRC 柱-钢梁框架直接基于位移的抗震设计步骤 .......... 39 
4.5  SRC 柱-钢梁混合框架结构设计实例 ...... 40
4.6  本章小结 ........ 57 
5  结论与展望 ........ 58 
5.1  结论 ..... 58 
5.2  展望 ..... 58 

4  SRC 柱-钢梁框架直接基于位移的抗震设计实例 

直接基于位移的抗震设计方法要求预先确定结构的目标位移，然后以目标位移为依据对结构进行设计，从而使设计的结构具有预期的抗震性能。该方法应先确定结构的侧移模式，然后将多自由度体系转化为等效单自由度体系，结合位移反应谱求得等效体系的目标参数，最后对原结构进行抗震设计及验算。 

4.1  SRC 柱－钢梁混合框架的初始侧移模式 
对于层数不多，高度不大的钢筋混凝土框架结构而言，其水平侧移曲线为整体剪切型，与上端固定，下端自由的等截面剪切悬臂柱的剪切变形曲线类似，故对此类结构可以采用等截面剪切悬臂柱的侧移模式。等截面剪切悬臂柱侧移模式如图 4.1 所示。大量研究表明，SRC 框架结构在某一强度水准地震作用下各楼层不会同时达到相应的层间位移角限值，一般只在最薄弱的某一层或相对薄弱的某几层达到极限状态。在计算结构各层的侧移时，可以通过对初始结构进行振型分析或直接比较各个楼层的侧向刚度来判断结构的薄弱层。对于刚度和质量沿高度分布均匀的 SRC 框架结构，结构的薄弱层可取底层或二、三层。直接基于位移的抗震设计方法需要用到位移反应谱，由于目前弹塑性位移反应谱的建立方法尚未成熟，故本文在对结构进行设计时仍旧基于弹性位移谱，并通过等效阻尼比来实现对弹性位移谱的折减，从而近似考虑结构处于弹塑性状态时的性能变化。 
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结论 

基于位移的抗震设计是实现结构性能化设计的重要途径，同时是目前应用较为广泛和成熟的基于性能设计方法。本文提出了 SRC 柱-钢梁混合框架直接基于位移的抗震设计方法，并运用该方法对 8 层型钢混凝土柱-钢梁框架算例进行了设计，得到以下结论： 
（1）参考国内外相关研究成果，将 SRC 柱-钢梁混合框架的性能水平划分为使用良好、暂时使用、修复后使用和接近倒塌四档，结合四个地震作用水平建立了 SRC 柱-钢梁混合框架的抗震性能目标。 
（2）对于规则型钢混凝土柱-钢梁框架结构，由于层间位移角能够较好的反映结构的受力、变形性能，故将其作为型钢混凝土柱-钢梁框架结构各个性能水平的量化指标并给出了结构各个性能水平的层间位移角限值。 
（3）对一 8 层型钢混凝土柱-钢梁混合框架进行了直接基于位移的抗震设计，并采用有限元分析软件 ABAQUS 对结构进行了静力弹塑性分析。结果表明，这种方法能够较好的控制结构在不同地震作用水平下的性态，简单易操作，满足了基于位移的抗震设计思想的要求。 
（4）对传统设计方法和直接基于位移法设计的混合结构进行了比较，结果表明，两种设计方法设计的结构有所差异，后者在中小震和中震作用下能够表现出更好的性能，即能够更好地满足多阶段抗震要求。 
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参考文献(略)

本文编号：152366