范文一:钢框架结构位移角研究(可编辑)
钢框架结构位移角研究
青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要?. .?. 第章绪论.引言? .选题背景和研究意义基于结构性能的抗震设计 ..现行的结构抗震设计方法? ..基于结构性能的抗震设计理论..基于性能抗震设计方法与现行抗震设计方法的区别与联系..基于结构性能抗震设计的国内外研究概况 ..基于结构性能抗震设计的应用与不足.本文研究的主要内容第章静力弹塑性分析方法? .静力弹塑性分析方法方法简介??一 .利用进行分析简介. ..结构建模?. ..设置塑性铰. ..侧向加载模式及分析工况. ..结果分析与性能评价??. .钢框架结构进行分析的具体步骤? .方法的优越性.. .方法存在的问题及发展动态.. 第章不同性能状态下的位移角?.. .引言??. .钢框架结构计算实例?. .曲线与二折线的等效转化?.. .钢框架结构试验统计分析??. .框架结构变形形状与位移角的研究?. ..框架结构的变形形状..不同弹塑性状态下顶点位移角与最大层问位移角..不同弹塑性状态下顶点位移角与各层层间位移角??青岛理工大学工学硕士学位论文 .本章小结. 第章钢结构基于位移角的动力特征??一 .引言??. .钢结构自振周期. .钢结构瞬态周期与瞬态阻尼比. ..瞬态周期? ..瞬态阻尼比 ..计算实例? ..结果分析? .本章小结. 第章基于等效单自由度的位移角研究?.. .引言 .多自由度体系与等效单自由度体系的转换关系??. ..等效单自由度体系简化的基本原理..多自由度与等效单自由度体系的转换关系??. ..计算实例? .等效线性化方法简介?. ..概述. ..等效线性化方法? .算例分析. ..模型概述?. ..等效周期结果分析. ..等效阻尼比结果分析??. .本章小结? 第章
基于位移角的抗震评估??.. .引言??. .抗震性能评估新方法? ..规范反应谱 .. 曲线的转化. ..等效体系周期与阻尼比的计算? .钢框架结构基于位移角的抗震性能评估??. ..水平地震影响系数 ..不同弹塑性状态下的谱位移和水平地震影响系数??. ..抗震性能评估??. 青岛理工大学工学硕士学位论文
.本章小结.
第章阻尼器对钢框架结构的性能影响?一
.引言??.
.算例介绍.
..工程概况?
..粘滞阻尼器的模拟
..金属阻尼器的模拟
.安装阻尼器前后曲线的等效转化?
.安装阻尼器前后结构的变形形状??.
.顶点位移角与最大层间位移角的变化..
.结构顶点位移角与各层层问位移角的变化?..
.结构能力谱曲线的变化..
.基于位移角的抗震评估??..:?
..水平地震影响系数..钢结构阻尼比..未安装阻尼器的原结构?
..安装粘滞阻尼器?
..安装金属阻尼器一
.本章小结
第章结论与展望?
.结沦??.
.展望参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文?
致谢?.青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 目前,我国的抗震设计方法仍沿用“三水准两阶段”的抗震理念,虽然这样 能保证建筑物在设防烈度下的抗倒塌能力,保障人的基本生命安全,但是不能细 致准确地反应结构抗震性能存在的不足之处,不能有效地控制经济损失。因此, 需要引进基于性能的抗震设计方法加以改进,而控制结构的位移是基于性能抗震 设计方法的核心。本文提出了以屈服位移为基准的划分钢结构弹塑性状态的方 法,并对不同弹塑性状态的顶点位移角和层间位移角进行了统计分析。提出了钢 结构基于位移角的抗震评估新方法,可为钢框架结构抗震性能的评估提供依据。 本文的研究内容主要有以下几方面: 利用软件对六个钢框架结构模型进行静力非线性分析,用屈 服位移的倍数量化结构的不同弹塑性状态。研究从弹性到破坏全过程中不同弹塑 性状态下结构顶点位移角和层问位移角的变化情况,并分别与试验统计位移角结 果和第一振型、简化理论公式计算的变形形状进行对比分析。 对各国钢框架结构的自振周期经验公式进行分析,并与模拟结果相对 比,得出选取经验公式的合理建议。引入能量法计算结构的等效周期和等效阻尼 比,研究结构在不同弹塑性状态下的瞬态周期和瞬态阻尼比。 提出多自由度体系转化成等效单自由度体系的方法。运用七种等效线 性化方法,计算结构的等效周期和等效阻尼比,荠将其与能量法计算结果进行对 比提出计算结构等效周期和等效阻尼比的合理建议。 介绍不同烈度下钢框架结构抗震性能评估的新方法。将。.曲线转化 成.曲线,然后通过不同烈度下的地震作用与【.曲线比较,确定小震阶段和 大震阶段在不同烈度下结
构的性能交点,用顶点位移角和层间位移角评估结构多 烈度下的抗震性能。 研究粘滞和金属阻尼器对钢框架结构基于位移角的抗震性能影响。 关键词静力非线性分析;等效线性化方法;动力特征;高振型;耗能减震青岛理工大学工学硕士学位论文 ,’ ”.,.”, ,, .,, . , , ., .:,. 己,. , ,.,.. .., 青岛理工大学工学硕士学位论文 , ? ,. .
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青岛理丁大学工学硕士学位论文
第章绪论
.引言
地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动,是危及人民生命财产安全的突
发式自然灾害。全球每年发生约万次地震,平均约秒就有一次,其中,五
级以上的破坏性地震均占余次‘?。地震给人们带来的损失是不可估量的,不
仅使大量建筑物瞬间倒塌从而危及人类的生命安全,而且可能引发火灾如图
、海啸如图?、山体滑坡、毒气泄漏等次生灾害。
我国位于全球两大地震带上,地震活动十分频繁。我国陆地面积占全球陆地
面积的/,但发生在我国的大陆性地震却占全球陆地破坏性地震的/。
年以来的历次强烈地震见表?迫使人们认识到在基于先进抗震设计思想和
理论研究的基础上,消除抗震薄弱环节、提高建筑结构总体抗震能力、减轻地震
损失的重要性。
图.地震引发火灾 图?地震引发海啸
.选题背景和研究意义
钢框架结构建筑具有众多优越性,如:白重轻、材料强度高、施工速度快、
延性好、工业化程度高等特点。自年美国兴建第一座高层钢结构建筑以
来,随着钢结构设计技术的发展,钢框架结构己成为目前主要的结构形式之一。
钢框架结构除了在底层、多层住宅类结构中有强大的优势外,在高层、超高层、
大跨及空间结构中也极具前景和生命力。例如,世界著名的钢结构建筑:埃菲尔
铁塔、悉尼歌剧院、吉隆坡国家石油双塔大厦等;我国也涌现出大批的钢结构建
筑:上海世贸国际广场、杭州湾跨海大桥、年奥运场馆、年世博会各青岛理工大学工学硕士学位论文
馆等。
国内外对于钢框架结构的研究也由来已久,早从年代起,、
、、等对整体框架进行了随意循环荷载和变形下的
非弹性性能试验,其中、的试验直接与地震激励下框架非弹性
特性相关联。二十世纪年代日美联合进行了钢框架房屋足尺抗震试验研究及
一系列缩尺结构试验,并对此进行了理论分析。国内学者也对钢框架结构进行了
大量的研究,如黄炳生、郝际平、王朝波等。
表. 以来我国大陆发生的主要地震
经地震区调查表明,在强震带附近没有倒塌的建筑几乎都是钢结构建筑,然
而在钢框架结构飞速发展的同时,国内外也曾发生过许多不同类型、不同原因、
不同程度的钢结构工程事故,造成了重大的经济损失和人员伤亡。如美国的诺斯
里奇大地震、日本的阪神大地震、中国的唐山大地震等。实际震害和理论分析均
表明,钢框架结构的位移角能够反应各构件层间变形的综合效果,而且与结构的
破坏程度有较好的相关性。而我国对于钢框架结构位移角方面的研究较少,所以
进行这方面的研究,最大限度地减轻震害是保障建筑安全,减少人员伤亡和经济
损失的重要措施,具有重要的经济价值和社会意义。青岛理工大学工学硕士学位论文
.基于结构性能的抗震设计
..现行的结构抗震设计方法
我国抗震规范 】的抗震设防思想可以概括为“三水准设防,两
阶段设计”。 三水准设防是指“小震不坏、中震可修、大震不倒”。为了实现
这一抗震设防目标,现行规范采用两阶段的抗震设计:即多遇地震小震时按
弹性设计,计算建筑结构的地震作用及其效应,并与其他荷载效应进行组合,引
入承载力抗震调整系数,根据构件控制截面的组合内力进行截面承载力计算;罕
遇地震大震时按弹塑性设计,计算水平地震作用并对结构进行弹塑性变形验
算,以保证大震不倒。目前的抗震设计方法实质上是基于承载力的抗震设计方
法。“三水准两阶段”的抗震理念虽然能保证建筑物在设防烈度下的抗倒塌能
力,保障人的基本生命安全,但是不能有效控制经济损失。
..基于结构性能的抗震设计理论
基于结构性能的抗震设计理论是在基于结构位移设计理论的基础上发展而来
的。世纪年代初,美国加州结构工程师协会 】委员会提
出基于结构性能的抗震设计理论
,,
引起地震工程界的极大兴趣,被认为是未来结构抗震设计发展的主要方向。这种
抗震设计思想是针对不同设防水准和不同结构制定相应的性能指标,通过设计使
结构在不同水准地震作用下的响应满足预期的抗震性能目标。与目前的抗震设计
理论相比,基于性能的抗震设计理论具有多级性、全面性、和灵活性等多项
优
点,因此该方法自提出以来,受到国内外学者的广泛重视。图.从目标性能的
确定、设计方法和检验方法的选取、最后性能水平的实现等方面,对常规设
计和
基于性能的设计过程作了对比【。 常规设计
基于性能的设计
规范给出
业主明确设定
目标性能
设计方珐
设计人员选择
检验方法
徽
适当的方法
满足规范要求
实现的性能
满足目标性能
实际性能水平
永乎明确
不明确
图.
常规设计与基于性能设计过程的对比青岛理工大学工学硕士学位论文
基于性能的抗震设计方法主要有基于承载力的设计方法、直接基于位移的抗
震设计方法和能力谱法。
.基于承载力 ,的抗震设计方法是根
据结构的延性需求,取用恰当的地震力降低系数来确定设计地震作用,通过设计
地震作用下的弹性计算确定结构内力,并采用抗震措施来实现结构延性设计。以
我国为例,基本设计思想是:第一阶段是对一般结构在小震作用下采用弹性方法
计算截面承载力,对于较高建筑物还要控制其侧向变形;第二阶段是对有特殊要
求的结构采用弹塑性计算方法验算其基本烈度对应的罕遇烈度地震作用下,结构
的弹塑性层间变形是否满足规范要求,防止薄弱部位产生的弹塑性变形导致结构
构件破坏甚至房屋倒塌。其中也存在着许多问题,例如结构构件内力计算模型与
构件极限状态承载力的计算模型不协调;现行钢结构设计规范中结构整体失稳模
式与实际失稳模式不一致。
,方
.直接基于位移的抗震设计.
法】是假设结构的整体侧移模式,并按结构的动力学方法将实际的多自由度体系
转化为等效单自由度体系,确定等效单自由度体系的等效位移?田及等效质量
。然后根据加速度反应谱建立不同阻尼比的弹性位移反应谱和初选位移形状
函数及延性确定等效体系的‘,用弹性位移反应谱确定与等效位移对应的
等效周期。再利用;匡导等效刚度国铂基底剪力,最后进一步确定多自由
度体系各个质点的水平地震作用。
钢框架结构基于位移的抗震设计方法是以位移为设计参数,针对不同地震设
防水准,制定相应的目标位移,并且通过对结构体系、非结构体系的各种几何参
数与详细构造的设计,使得结构在给定水准地震作用下达到预先指定的目标位
移,从而实现对结构地震行为的控制。与传统基于力的抗震设计方法相比,基于
位移的抗震设计方法更易于实现基于性能的抗震设计,但这种设计理论未体现结
构的非线性分析方法和对结构实际抗震性能进行验算的方法。
.能力谱法 在实现基于性能的抗震设计理
论中主要体现在对结构抗震性能的评估上,其实质是基于力的设计方法加位
移变形
的校核,比基于力的设计方法更加合理。该方法试图将实际结构的多自由度体系
的弹塑性反应用单自由度体系的反应来表达,其初衷是建立一种大震下结构抗震
性能的快速评估方法,结果具有直观、信息丰富等特点。这种方法最初是由
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等人在年美国海军抗震工程项目作简化评估时提出来的【引,后来被
许多学者不断改进和完善。
.能力谱方法【】本质上是将原结构等效为单质点体系,将弹性反应谱转
化为由谱位移和谱加速度表示的需求谱形式,并将能力谱和需求谱放入同一坐标
系中。通过等效线性体系的基本周期和等效阻尼比改变,迭代得到需求位移,见
图一。.能力谱法中的迭代过程可能不收敛,所以无法得到需求位移。
加
速
度
谱
值
目标位移点
位移谱值
图目标谱曲线
提出的方法【】确定结构需求的位移方式是将原结构等效为单质点的弹
塑性体系。中的代表非线性分析
,代表两个数学模型
即一个体系和一个等价体系。这种方法利用结构一阶振型的等效
双线性理想弹塑性模型的反应谱,将地震需求反应谱与体系的
分析结果比较,以确定地震位移响应。该方法实际上就是以弹塑性反应
谱为基础的改进能力谱方法。
改进能力谱法【】首先是将弹性反应谱折减为弹塑性反应谱,并转化为
需求谱形式,不同延性比对应不同的需求曲线。然后将结构的能力曲线与需求曲
线放入同一坐标系中,按照曲线交点对应的结构延性系数与相应需求位移曲线对
应的延性系数相等的原则插值得到需求位移。
..基于性能抗震设计方法与现行抗震设计方法的区别与联系
基于性能抗震设计方法与现行抗震设计方法在很多方面存在着不同之处。
基于性能的抗震设计要求结构在不同水平地震作用下具有明确的性能
水平。而目前抗震设计方法中定义的性能水准较为模糊,没有量化的参数和准
则,如“中震可修”,还只是一个定性的描述,很难在实际设计中得到保证。
基于性能抗震设计中目标性能水平的确定是针对整个结构体系,并综青岛理工大学工学硕士学位论文
合考虑社会经济水平、建筑物重要性以及在地震作用下可能遭受到的直接和间接
损失。而目前抗震设计规范只是针对结构构件采用“校准法”来确定结构的目标
性能水平,并没有对整个结构体系提出明确的安全水平【】。
“两阶段”设计准则是基于小震的承载能力验算和大震下的变形验
算。小震下的承载能力验算不能控制构件的破坏状态,更无法保证整体的抗震性
能,大震下薄弱层的变形验算是用楼层屈服强度来表达的,不足以控制结构位移
过大引起的破坏。该方法实质上还是一个静态变形验算过程,不能反映结构在大
震下的特性、变形发展直至极限破坏的过程,无法实现对建筑物性能的控制。而
基于性能的抗震设计方法能避开这一不足,更好的实现对结构变形的控制。
基于性能抗震的设计方法在满足性能规范的前提下,可以发挥研究、
设计者的创造性以满足不同业主提出的不同设计要求,同时也有利于新材料和欣
技术的应用。而目前的抗震设计思想基本上是以规范为主要指导思想,没有充分
考虑业主的要求,也缺少业主与设计者的沟通与交流。
同时,基于性能抗震设计方法与现行抗震设计方法之间也存在着密切的联
系。
概念设计和结构细部构造设计对于目前抗震设计方法和未来基于性能 抗震设计方法都是很重要的组成部分。
基于性能抗震设计与目前抗震设计都要针对建筑场地做地震危险性分 析,相对于目前的地震危险性分析,基于性能抗震设计要求做得更细致、更具 体。
由于抗震设计中存在大量的不确定因素,尤其是地震作用在强度、时 间和空间上都具有很强的不确定性。所以目前针对结构进行抗震设计时基于
性能
的抗震设计与目前的抗震设计都要同时考虑地震作用、材料强度和计算模式
的随
机性。
..基于结构性能抗震设计的国内外研究概况
基于性能的抗震设计的设计理念是强调性能控制与资源利用的完美结合,引 起了世界各国的重视。在美国,联邦紧急救援署和国家自然科学基金 委员会资助开展了一项为期年的研究计划,对基于性能的抗震设计在未来规
范
中的应用进行了多方面基础性研究】。年出版了.报告,将
的核心思想纳入其中。美国太平洋地震工程研究中心提出新一代 青岛理工大学工学硕士学位论文
基于性能地震工程的框架方法。
日本地震工程界在继美国学者提出基于结构性能的抗震设计理论之后,特别
是在年阪神大地震之后,在多方资助下开始了为期年的“基于性能的建
筑结构设计新框架”的研究开发项目,成立了由国内一些著名学者参加的新建筑
构造体系综合委员会,还建立了“新构造体系促进会议”来协调各方面工作。
年欧洲提出用基于位移的方法评估在用结构的抗震性能和进行抗震加
固设计。
我国在基于性能的抗震设计方面也开展了积极的研究。谢礼立等【】针对当前
基于性能的抗震设计和分析方法尚未完全成熟的情况,提出了一套比较完整的目
标性能、性能水平和基于性能的抗震设防原则和方法。周锡元结合我国具体
情况,提出基于性能的抗震设计在我国研究和逐步应用的建议。钱稼茹、罗文斌
【】介绍了国外建筑规范、标准采用基于位移抗震设计的现状,并给出三种抗震设
计方法,讨论了需要研究解决的若干问题。
..基于结构性能抗震设计的应用与不足
建筑结构的抗震要求是小震时应具有足够的刚度和承载力,大震时应具有足
够的变形和耗能能力。基于性能的抗震设计使社会的资金投资更直接和更有效,
以避免未来地震下的损失。其应用主要有:进行建筑物设计时,在较低建设费用
下达到现行规范规定的性能或达到比现行建筑规范更高的性能更低的损失;
对超出规范有关体型、材料、体系范围规定的建筑进行设计时,使其达到现行建
筑规定的性能;对现有结构的潜在性能进行评估时,估计灾害事件中的可能损
失;对现行规范中关于新建建筑的潜在性能的规定进行评估时,作为对规范建筑
抗震设计标准改进的基础,使未来建筑能表现出更持久和更可靠的性能。
尽管基于性能的抗震设计存在诸多优势,其探索之路也充满艰辛。如何实现
业主的个性化要求与设计人员设计之间的对应,是实现基于性能设计的首要任
务。由于人们尚未完全掌握地震发生机理及其预测、结构动力特性以及这种特性
与结构在地震中受损程度的关系等重要知识,要进行完全的基于性能的设计目前
还不具备成熟的技术条件。基于性能的抗震设计要求分析的内容多数是结构或构
件在非线性范围内的工作状态,从目前的设计水平来讲,这样会加大设计的难
度,增加工作量、延长设计周期、增加设计费用。另外,在新的分析方法成为常
规分析之前,要求有完善的应用程序,也要求设计人员学习更多的专业知识。
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.本文研究的主要内容
近年来,基于性能的抗震设计方法已成为世界各国土木工程界研究的热点之
一。静力非线性分析方法是在静力非线性分析基础上结合反应谱确定不同设防烈
度下的地震水平作用,追踪规定荷载作用下结构的线性变形和非线性变形,做出
结构在小震、大震下的抗震性能评价。在一定条件下,该方法能够准确、简便地
评估结构的抗震性能。本文在前人研究基础上提出钢框架结构基于位移角的抗震
评估方法,主要做了以下几方面的研究工作:
介绍了基于结构性能的抗震设计理论、应用及国内外研究概况,对静
力弹塑性分析方法的基本理论、实施过程及存在问题进行概述。
利用结构分析程序对个钢框架结构进行静力非线性分析,得
至曲线。研究从弹性到破坏全过程的顶点位移角与层间位移角的变化规
律和结构的变形形状,并分别与试验位移角统计结果和第一振型、简化理论公式
计算的变形形状进行了对比分析。
将模拟结果与各国钢框架结构自振周期经验公式进行对比,通过误差分
析得出较为合理的经验公式。采用能量法对结构在不同弹塑性状态下的瞬态周期
和瞬态阻尼比进行研究。
研究多自由度与单自由度的转换关系,对个算例分别进行计算,对比
考虑第一振型和考虑多振型的能力谱曲线的精度问题。通过等效线性化方法获得
个模型的周期和阻尼比,并通过与能量法的比较提出了利用等效线性化方法计
算结构等效周期和阻尼比的合理化建议。
介绍了基于位移角和水平地震影响系数的抗震性能评估的新方法。将
。.曲线转化成【.曲线,通过小震和大震阶段的结构规定烈度下的地震作用与
.曲线比较,确定不同烈度下的性能交点,用顶点位移角和层间位移角评估结
构多烈度下的抗震性能。本文运用该方法对六个基本模型进行了抗震性能方面的
评估。
利用静力非线性分析方法,分别研究了安装粘滞与金属阻尼器前后钢
框架结构位移角的变化,并分析了消能减震器对性能点和抗震性能的影响。
参考国内外关于钢框架结构位移角方面的研究,本文得出了基于位移
角抗震评估方面的一些结论,并对该方法今后的完善和发展提出了自己的意见和
建议。青岛理工大学工学硕士学位论文
第章静力弹塑性分析方法
.静力弹塑性分析方法方法简介
结构弹塑性分析可分为弹塑性静力分析和弹塑性动力分析两大类。
方法】,是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种静力弹塑性分析方法。
这种方法是根据建筑的结构特点在结构上施加某种分布的水平力,随荷载的不断
增大,一部分构件进入弹塑性阶段,结构刚度发生变化,因此又逐步调整水平力
的分布。这样不断进行下去,直到结构达到某预定状态预定目标位移、位移超
限或者成为机构。这一过程反映了结构的抗侧力弹塑性性能,并得到结构基底
剪力和顶点位移的关系曲线,也就是曲线。分析方法与传统的
抗震静力计算方法的不同之处在于它考虑了结构的弹塑性性能,同时将设计反应
谱引入计算过程。
分析方法基于以下两个基本假定【】:
.实际结构一般为多自由度体系的地震反应与该结构等效单自
由度体系的反应相关如图.,即结构的地震反应仅由第一振型控
制。
.在每一加载步内,结构沿高度的变形由振型向量西表示,即在每一步的
反应过程中,不管结构的变形大小,振型向量?保持不变。
?
图 多质点体系等效为单质点体系示意图
.利用进行分析简介
随着现代工程结构的日益复杂和计算机软件技术的迅速发展,结构分析设计
软件已成为结构工程师必不可少的工具之一。进行非线性分析的过程并不复杂,
现有的许多软件都有这个功能,按结构模型大致可分为两类。一类能进行二维平
面分析,如和.;另一类可进行三维空间分析,如、
、等。
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是全球公认的结构分析计算程序,它是由美国
.公司开发研制的通用结构分析与设计软件,距今已有近四十年
的发展历史,在世界范围内广泛应用。是一个集成化的工作环境,工程
师可以在同一个界面中完成建模、分析和设计,可以通过不同的视图窗口将结构
的模型信息、分析结果和设计结果同时展现给用户,而且可以在不同显示含义的
视图中直接进行与该显示状态相关的操作。本文选用进行分
析,其中文版贯入了中国规范,具有很强的推广实用价值。
..结构建模
以完全空间方式建立模型,建模方式具有灵活、快速、直观的特
点,集成化的操作界面大大简化了建模过程的操作步骤。提供了类型非
常丰富的单元和材料,本文对梁柱用框架单元模拟,对现浇板用壳单元来模
拟。
..设置塑性铰
塑性铰的力.位移曲线是通过一个有五个控制点? ?的曲线来实现, 如图.所示。在上述塑性铰本构关系中,纵坐标代表弯矩、剪力和轴力,横坐 标代表曲率或转角、剪切变形和轴向变形。其中,,,,分别表示 弹性段、强化段、卸载段和破坏段。点为屈服点,表示构件出现塑性铰;点 表示构件达到变形极限,开始失去承载力;点代表分析的残余强度; 点代表完全失效。点、和代表塑性铰的能力水平,它们分别对应于直 接使用、生命安全和防止倒塌。
定义塑性铰有两种方法,一种是白定义,即由截面情况计算出几个关键点 ,,,的位置并输入到本构关系中;另一种是程序按照美国规范 和.给定。为简单起见,本文采用后一种方法,即采用程序给的 默认值。塑性铰通常设在梁、柱杆件的两端,因为一般情况下,两端弯矩最大。 对于梁单元,一般仅考虑弯矩屈服产生塑性铰,即定义为程序中的;对柱单 元,考虑由轴力和双向弯矩相关作用产生塑性铰,即定义为。 青岛理工大学工学硕士学位论文
稻
.
据
旧
蜒
/
横向变形
//
图?塑性铰的本构关系
..侧向加载模式及分析工况
逐级施加的水平侧向力沿结构高度的分布模式称为侧向力分布形式。由于结
构在地震过程中所受的地震作用是不规则变化的,特别是结构构件屈服后地震作
用更复杂,因此选择侧向力的分布形式特别重要。一般选择的荷载形式必须能体
现和包络设计地震作用下结构上惯性力的分布。事实上,由于任何一种加载模式
都不可能反映结构全部的变形及受力要求,因为无论采用何种分布方式,都将使
得和该加载方式相似的振型作用得到加强,而其它振型的作用则很容易被忽略。
程序提供种荷载分布模式】:
均匀加载模式:水平侧向力沿结构高度分布与楼层质量成正比。
其数学表达式可表示为:
二: ?
式中:为莉层水平荷载;飞为结构底部剪力;为结构总层数。
倒三角加载模式:水平侧向力沿结构高度分布与层质量和高度
成正比即底部剪力法模式。其数学表达式可表示为:
.
.
’式中:聪为结构第层楼层重力荷载代表值;为结构第层楼面距地面的高 度。
多振型加载模式:先对结构进行反应谱分析,根据振型分解 反应谱平方和开方方法计算结构各层的层间剪力,再反算出各水平荷 载。其数学表达式可表示为:
?
仪,青岛理工大学工学硕士学位论文
?
?:::
?
??羔。
?
式中:
、分别为第振型的地震影响系数和参与系数;凡、日为第阶 振型第层的水平荷载和水平相对位移。
中定义工况时,首先应定义重力荷载作为的第一
工况,各种水平力及其组合定义为其他工况。计算时也应首先计算第一工况
下的
内力和变形,其他工况的计算是在第一工况下内力和变形的基础上施加侧向
水平
荷载,并使水平荷载不断增加,结构侧移不断加大,直到达到规定的目标位移
为
止。
..结果分析与性能评价
.结构的荷载.位移曲线
静力弹塑性分析得到的荷载.位移曲线表示的是结构侧向总剪力与 顶点侧向位移结构各层间位移之总和的关系,理想的荷载.位移曲线如图. 所示。规范要求得到的某个薄弱层的层间位移,可以直接从结构的变形数据
中得
到。另外,荷载一位移曲线可以进一步简化成双线性或三线性骨架曲线,简化
的
方法可用等能量方法。
占
圃
张
翅
教
图?理想的荷载.位移曲线
.结构抗震能力的评价
经过分析后,可以得到性能点,根据性能点的变形可以从以下三个 方面进行结构抗震能力的评估:
用规范规定的容许层间位移角,检验结构承载力曲线上对应层剪力的
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位移角是否符合要求。
进行结构弹塑性分析之后,可以根据结构中出现的塑性铰的数量、位 置和塑性铰所处的性能状态等信息,检验构件的局部变形是否超过建筑某一
性能
水准下的允许变形。
建立谱以谱加速度为纵坐标,谱位移为横坐标的。.谱和
能力谱由承载力曲线转换得来,将两条曲线放在同一图中,得到交点的位移 值,同目标位移进行比较,检验是否满足弹塑性变形验算要求。 .钢框架结构进行分析的具体步骤
由于程序的功能十分强大,本文采用程序对钢框架结构
进行分析。具体实施步骤如下【】:
.建立结构和构件的计算模型,包括几何尺寸、物理参数以及结点和杆件 编号等。
.定义框架铰属性并将其指定给框架/索单元。
.定义钢结构设计所需的任意荷载工况和静力与动力分析工况。 .运行设计需要的分析。
.当钢铰属性是基于程序计算的默认值时,必须进行钢框架设计且接受程 序选择的截面。
.定义分析所需的荷载工况,这些工况主要包括:结构本身的重力 荷载和侧向荷载。
.定义分析工况并运行分析。
.审阅结果:绘制底部剪力.顶部位移关系曲线、显示分析
每一步中铰的状态、变形形状、力和弯矩图形。
.按需要修改模型并重复前步。
.
方法的优越性
分析方法与静力线性和动力弹性分析方法相比,不但可以简化结构
的抗震分析,还可以了解结构在地震作用下的一些特性九,例如:
对结构进行分析可以了解其在水平荷载作用下的受力及变形
状况,查看结构构件由弹性变形到开裂乃至承载力完全消失的整个过程,检验结
构是否符合强柱弱梁或强剪弱弯的设计要求,并可预见结构设计中的薄弱部位。青岛理工大学工学硕士学位论文
通过分析可以得到结构的变形能力曲线,而该能力曲线亦可
作为层问剪切模型弹塑性时程分析的基础分析,另外它能够反映结构的抗震能
力,若结构的承载力能力不够则需要对结构进行加固处理或重新设计。
用静力非线性分析方法来确定结构的目标位移比用弹塑性时程分析方
法简洁方便的多,而所得结果又比弹性静力分析方法所得到的结果精确,目前来
说是很好的计算方法。
通过对结构进行分析,记录在分析过程中产生的塑性铰的性
能以及结构的最终位移,可判断结构的变形能力是否符合规范的要求限值。
由于整个分析过程是分步进行的,整个过程清晰可辨,同时
水平地震力也可求得,因而该方法更能反映结构受地震力时的实际状况。
.
方法存在的问题及发展动态
由于的假定是理想化的, 所以也存在许多不足之处:
没有考虑高阶振型的影响。假定结构的地震反应仅由结构的第
一振型控制,侧向荷载的分布形式只与结构的基本自振周期和振型有关,忽略了
高阶振型的影响,造成了的精度不足。对于一般的中低层建筑结构问题
不大,但对高层和复杂结构的建筑来说,其精确度有很大的误差。
对于第二个假定“结构沿高度的变形由振型向量西表示”,“振型向
量西保持不变”,根据材料力学的知识,可以知道结构的变形不仅包括形状的
改变还包括体积的变化,显然结构的振型向量?保持不变是不可能的。振型向
量一般只凭经验假定,现阶段没有具体可行的办法,而振型向量选取的正确与否
对结构特征参数的确定有较大的影响。
由于自身的局限性,研究仅限于特定的区域,只能近似的对结
构抗震性能作出评价,不能精确地描述结构的动力特性。
方法不能直接得到结构在设防地震动作用下的位移反应,它需
要与弹性或非弹性反应谱结合,来确定结构在特定地面运动下的目标位移反应
值。
方法既能对结构在多遇地震下的弹性设计进行校核,也能够确定结
构在罕遇地震下潜在的破坏机制,找到最先破坏的薄弱环节,从而使设计者仅对
局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预
定的使用功能。作为一种抗震性能评估方法,近些年之所以在国内外得
青岛理工大学工学硕士学位论文
到广泛应用,关键在于其方法简单,准确度高又实用的特点。就国内而言,研究
最多的是有关等效水平荷载加载模式的改进和提高,对于高阶振型等问题需要继
续探讨。
.本章小结
本章主要介绍了静力弹塑性分析方法方法,包括原理、假定、
计算步骤等。对利用进行分析的主要步骤进行了介绍,主要
包括结构建模、设置塑性铰、侧向加载模式及分析工况和进行结构分析与性能评
价,并介绍了针对钢框架结构进行分析的具体步骤。本章不仅介绍了
方法的优越性,也提出了该方法存在的不足之处及其发展动态。第章不同性能状态下的位移角
.引言
地震灾害的高度不确定性和现代地震灾害引起巨大经济损失的特点,引起世
界各国地震工程界对现有抗震设计思想和方法的深刻反思。因此进一步探讨更完
善的结构抗震设计思想和方法成为迫切的需要。我国抗震规范中采用的“小震不
坏、中震可修、大震不倒”设防水准,被认为是目前处理地震作用高度不确定性
的科学合理的对策,这种设计思想在实践中也已取得巨大的成功。在发达国家和
地区,即使在人口高度密集的城市周边区域,由于绝大多数建筑物按现行的抗震
规范设计或加固,使得重大地震灾害造成的人员伤亡已经明显下降。然而,这种
设计思想是以保障生命安全为主要设防目标的,尽管它可以做到大震时主体结构
不发生倒塌以保障生命安全,但它可能导致中小震下结构正常使用功能的丧失而
引起巨大的经济损失。特别是随着经济的发展,建筑结构内的装修、非结构构
件、信息技术装备等的费用往往大大超过建筑物的费用,这种损失会更加严重。
针对以上情况,基于性能的抗震设计能更好的满足人们的需求,它比现行抗
震设计方法中强调的通过采取各种构造措施来保证结构在遭遇设防烈度及罕遇地
震时具有足够的强度、刚度及延性的概念设计更进了一步,要体现在基于位移的
抗震设计要求有量化的设计指标【 。尽管目前还没有统一的设计方法,但有不少
学者提出采用结构的层间变形或顶点位移为性能指标,直接基于位移进行抗
震设计,能更好的实现基于性能的抗震设计思想【】。这主要是因为结构的破坏状
态性能可以由结构的变形来描述,而强度与结构的破坏并没有明确的关系。
由于在设计中直接采用目标位移作为设计值,使得设计结构具有一致的可靠性,
而不是目前位移验算只是一个限值。同时也可以避免目前抗震设计中的重复验算
而增加设计计算量。
目前我国的建筑设计方法,均采用基于力的设计方法,尽管也有对位移的控
制,但显然是基于力控制的辅助作用,这显然不能有效地控制结构的损伤,发挥
出位移在结构设计方面的有效作用。因此,位移作为评估结构预期变形、确定结
构损伤指标的关键性因素,在基于位移的性能设计日益受到重视的今天,不断发
挥着它重要的作用。同时,顶点位移角和层间位移角也自然成为结构评价的两个
极为重要的指标。青岛理工大学工学硕士学位论文
我国抗震设计规范对不同结构体系的弹性层问位移角限值和弹塑性层间位移
角限值的规定,见表?。
表?我国抗震设计规范层闻位移角限值
本章研究内容:利用对个钢框架结构算例进行非线性静力分
析,得到各算例的底部剪力.点位移曲线,将理论曲线折线化,获得屈服位移。
分别以屈服位移的倍数直至最大位移为控制位移对个算例重新进行推覆,
得到各结构不同弹塑性状态下的楼层位移,顶点位移角与层间位移角。 研
究结构在不同弹塑性状态下的变形形状,并与第一振型和简化理论公式计算的变
形形状进行对比分析。研究各模型在不同弹塑性状态下的位移角的关系,
包括顶点位移角与最大层间位移角的关系,顶点位移角与各层层问位移角的关
系。
.钢框架结构计算实例
本章利用程序对个钢框架算例三层跨、三层跨、九层跨、九
层跨、十五层跨、十五层跨进行静力弹塑性分析,并结合分析结果
和评定指标,对结构进行抗震性能评估。通过对计算结果的分析处理,以期为这
类结构抗震性能的评估提供参考。
本工程为钢框架结构,按度抗震设防,场地类别为类,设计地震分组为 第二组,场地特征周期为.。结构平面图如图.所示,水平方向为跨,跨度 .,两跨模型水平方向为榀,三跨模型水平方向为榀,跨度均为., 三层层高为.,九层、十五层层高均为。梁柱全部采用型钢,板采用 现浇混凝土板,基础和上部结构采用固结方式。青岛理工大学工学硕士学位
论文
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图 结构平向图
本文采用空间杆系模型对结构进行能力谱分析,由程序自动计算铰属性。在 梁、柱杆件的两端定义塑性铰,所有梁单元采用默认的塑性铰,柱单元采用默 认的塑性铰。其中塑性铰本构关系中的、、、等关键点利用.和 两本手册提供的相关公式确定。首先选取初始目标位移值为/的结构 总高度,使用耦合位移进行控制,几何非线性参数考虑.?效应。通过对结果
的
分析比较发现,均布加载模式、倒三角加载模式和多振型加载模式对分 析中的位移角的影响情况相似,这里仅就均布荷载加载模式下的位移角进行
研
究。
.
曲线与二折线的等效转化
由多自由度体系的曲线转化得到的基底剪力.顶点位移关系线是一条 由离散点连成的曲线,没有明确的表示方法,不便于理论分析和实际工程的
应
用。为便于与结构的需求曲线进行比较,需将其简化为折线形式,一般采用双
折
线,如图.。按照等面积的原则进行简化,即使推覆曲线下的图形面积等于二
折
线后折线下的图形面积。
?? 青岛理工大学工学硕士学位论文
图
曲线等面积法二折线化
如图?,设基底剪力一顶点位移曲线与横坐标所围图形的面积为~,则 由等能量法可得:
。芝
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由上式可以求出:
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由几何关系可得:
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‘ , ”:糕 ?。一?。
式中,为初始刚度,为第二刚度, 为屈服剪力,,为屈服位移,为最 大位移,为最大剪力。
对个模型的曲线进行折线化,如图.所示。青岛理工大学工学硕士学位论文
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顶点位移,
图三层三跨结构推覆曲线的折线化 图九层三跨结构推覆曲线的折线化 工
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顶点位移
顶点位移/
图十五层三跨结构推覆曲线的折线化 图三层两跨结构推覆曲线的折线化 顶点位移/
图?九层两跨结构推覆曲线的折线化 图?十五层两跨结构推覆曲线的折线化 个模型各自的计算参数见表。表?计算参数 其中,为屈服位移角。
.钢框架结构试验统计分析
实际震害和理论分析表明,结构的层间侧移是引起结构和非结构构件损伤破
坏的最主要因素,而层间位移角不受本层层高的影响,可以从整体上反应结
构的
损伤程度。因此,层间位移角是检验建筑结构抗震性能的主要指标之一,与结
构
在各阶段的性能水平和损伤程度有较好的相关性。本文收集组钢框架试验数 据,并对其位移角分别进行了统计分析。以确定结构在屈服和极限荷载时的
位移
角情况,并与上文中的模拟计算结果进行比较【。
钢框架试验数据】,见表.。
表.钢框架结构试验数据青岛理工大学工学硕士学位论文
续表.钢框架结构试验数据
根据上述框架结构试验数据的统计,钢框架结构在屈服点和极限荷载点处层 间位移角的统计参数值见表.。
表钢框架层问位移角统计结果青岛理工大学工学硕士学位论文 钢框架结构在屈服和极限荷载点的试验统计结果见图.~.。 矩一
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层闰位移詹 层同位移角
图钢框架屈服点层间位移角统计 图钢框架极限荷载点层间位移角统计
由表.和图.可以看出:统计所得的框架结构屈服点层间位移角在/,
,标准差为/。模拟结构中的屈服位移角在
/之间变化,平均值为/
。程序
『/~/之间变化,平均值为/,明显小于实验中屈服位移角/
模拟所得的结果比试验统计所得的小,分析原因可以得出,实验过程中难免出现
误差,况且实验试件多为缩尺模型或层数较少的结构,其试件的刚度较模拟中的
多高层结构小得多,并且与模拟中的结构相比,实验试件在平面外均无有效的侧
向支撑和约束,这都使得结构在实验过程中的屈服位移角更大,变形更加明显。
.框架结构变形形状与位移角的研究
..框架结构的变形形状
水平荷载作用下,建筑结构的层间变形主要包括剪切变形、弯曲变形和弯剪
变形。框架结构在侧向力作用下的水平位移曲线的特点主要有:框架结构抗
侧刚
度较小,其位移由梁和柱的弯曲变形产生的位移组成,曲线呈剪切型,自下而上
层问位移减小;柱的轴向变形产生的侧移,侧移曲线呈弯曲型,自下而上层间位
移增大。第一部分是主要的,二部分很小可以忽略,所以框架结构在侧向力作用
下的侧移曲线以剪切型为主。
针对不同的结构体系应采用不同的手段进行控制:对以剪切型侧移模式
为主的框架结构,控制楼层的整体剪切位移不宜过大;对以弯曲型侧移模式
为主的剪力墙结构,控制楼层受力构件的弯曲曲率不宜过大;对以弯剪型侧
移为主的框架一剪力墙结构,控制反弯点以下楼层构件的弯曲曲率和反弯点以上
青岛理工大学工学硕士学位论文
楼层的整体剪切位移。
当悬臂结构为等截面的均质体系时,可近似采用水平均布荷载产生的
水平侧移曲线作为第一振型曲线【,即:
击等
式中,为沿高度方向悬臂结构单位长度质量,为剪切模量,为悬臂结
构截面面积,为悬臂结构长度。
由式.可得各层的楼层位移和各层的层间位移、顶点位移,进而可以得
到各层的层间位移角和顶点位移角,最终可得顶点位移角与层间位移角比值
的理
论值。对个框架结构三层三跨、九层三跨、十五层三跨、三层两跨、九层两
跨、十五层两跨均进行静力非线性分析,可得各模型在不同弹塑性状态下的楼
层位移,进行模态分析得到第一振型的振幅。将其归一化后可得各框架结构变形
形状沿竖向的分布情况,如图.~.。
从图.~.中可以看出:理论计算结果和第一振型曲线与实际推覆情况
有较大差异,但各框架结构的位移变形曲线基本都属于剪切型,随着推覆的进
行,变形形状逐渐外移。用振型分解法分析变形形状发生在推覆的?
以内,说明用振型分解法描述变形形状侧重于屈服之前的弹性性能,接近屈服时
的变形形状;用理论值分析变形形状,不同框架结构发生的阶段不完全一样,有
的发生在推覆的?。附近,有的发生在推覆的?与?之间,
但共同之处是均发生在屈服之后,说明用理论值描述变形形状侧重于屈服之后的
塑性性能,是较严重破坏状态的变形形状。
慕
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归一化后的楼层位移 归一化岳的楼层位移青岛理工大学工学硕士学位论文
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归一化后的楼层位移 归一亿后的楼层位移
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添逛
籁警
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. . . . . .
归一化后的楼层位移
归一化后的楼层位移
..不同弹塑性状态下顶点位移角与最大层间位移角
以往文章中,均少有提及对结构不同弹塑性状态的划分,而对结构弹塑性状 态过于笼统的表达,也限制着众多科研工作者的思路。本文通过采用本章.
节
等面积法计算确定了模型的屈服位移,并以屈服位移为基准,将结构的 曲线从开始加载至极限状态的位移变形情况进行划分,运用结构的多倍屈服
准则
来量化结构弹塑性状态下的变形能力和损伤情况,即通过使用?,,,,, ?,?来表示结构的不同弹塑性状态以及结构的破坏化程度,具有明显的研
究
价值。青岛理工大学工学硕士学位论文
不同弹塑性状态下的顶点位移角见表.,不同弹塑性状态下的最大层间位移 角见表,不同弹塑性状态与位移角的关系如图..。
表?不同弹塑性状态下的顶点位移角
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图?三层三跨结构不同弹塑 图?三层三跨结构不同弹塑 性状态与顶点位移角的关系 性状态与最大层间位移角的关系 青岛理工大学工学硕士学位论文
图.九层三跨结构不同弹塑 图.九层三跨结构不同弹塑性 性状态与顶点位移角的关系 状态与最大层问位移角的关系 图?十五层三跨结构不同弹 图.十五层三跨结构不同弹塑 塑性状态与顶点位移角的关系 性状态与最大层间位移角的关系 图.三层两跨结构不同弹塑 图.三层两跨结构不同弹塑 性状态与顶点位移角的关系 性状态与最大层间位移角的关系 青岛理工大学工学硕士学位论文
图?九层两跨结构不同弹塑 图?九层两跨结构不同弹塑 性状态与顶点位移角的关系
性状态与最大层间位移角的关系
图.十五层两跨结构不同弹 图.十五层两跨结构不同弹塑
塑性状态与顶点位移角的关系 性状态与最大层间位移角的关系
由以上结果可以看出,由于所定义的多倍屈服准则是基于结构的顶点位移进
行的,所以,在不同弹塑性状态与顶点位移角的关系图中,多倍屈服与顶点位移
角的关系在前半段近似呈直线变化。相较于顶点位移角的变化,最大层间位移角
的变化也非常规律。在多倍屈服的情况下,同一结构的最大层间位移角在前半段
的变化也近似于一条直线,并且与顶点位移角变化形状相似。对相同结构而言,
最大层间位移角均大于相应状态下的顶点位移角。
不同弹塑性状态下的顶点位移角与最大层间位移角的比值见表.。
青岛理工大学工学硕士学位论文
从表可以看出:结构的顶点位移角与最大层间位移角的比值对于不同的
结构的相同弹塑性状态各不相同,对于相同结构的不同弹塑性状态也各不相同。
最大值为.,出现在模型五的屈服位移处,最小值为.,出现在模型二的
极限位移处,平均值在...之间。由此可以看出,在不同屈服情况下,可
以通过顶点位移角与最大层间位移角的比值来近似反应结构顶点位移角与最大层
间位移角之间的关系。
..不同弹塑性状态下顶点位移角与各层层间位移角
以屈服位移的倍数直至最大位移为控制位移对个算例重新进行推覆,得到
各结构不同弹塑性状态下的层间位移角,从而得到不同弹塑性状态下顶点位移角
与层间位移角的比值,并与顶点僮移角与层间位移角比值的理论值进行比较,结
范文二:浅谈框架结构层间位移角的控制
摘要:层间位移角是在混凝土框架设计中的一项重要验算指标,本文通过一工程实例,介绍在结构设计过程中,当计算层间位移角超过规范限值的处理办法。通过试算比对,找出了最优调整办法。
关键词:框架结构层间位移角刚度分配
一概述
在《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010条款5.5.1中规定,对于钢筋混凝土框架结构在进行多遇地震作用下的抗震变形验算时,其楼层内的最大层间位移角应小于1/550。此条款是根据各国规范规定、震害经验和实验研究结果及工程实例分析,采用层间位移角作为衡量结构变形能力是否满足建筑功能要求。
层间位移角是框架结构设计中需重点注意的一个验算指标,其反应了结构布置在刚度方面是否合理。当层间位移角不满足规范要求时,应分析各方向层间位移角数值,反推各方向的刚度情况,然后再有针对性的进行调整。
二实际工程案例
此案例为某电厂中余热锅炉给水泵房,抗震设防烈度为7度(0.15g),设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.60s,结构抗震等级为三级;五十年一遇基本风压为0.5kN/m2,基本雪压为0.42kN/m2,地面粗糙度为B类。采用钢筋混凝土框架结构形式的单层工业厂房。其平面布置见图1。
图1 结构平面布置图
因工艺需要,该单层框架层高为7.5m。基础形式为柱下独立基础,因地质条件限制,基础埋深较深,基础顶标高为-1.700m。在PKPM建模计算中,该单层框架柱高达9.2m。首先按常规方式建立模型如图2所示,经计算,在多遇地震下,框架的层间位移角横向为1/504、纵向为1/421,均超过规范限值。表明两个方向的刚度均不足。
采用增大柱截面同时调整横纵梁的方式增加结构整体刚度,经试算知,当柱截面为600x800时方能满足规范对层间位移角的要求。且结构纵向刚度相对横向刚度偏弱。此时梁柱截面均较大,总工程量偏大。
图2PKPM模型图图图3加层间梁PKPM模型图
改变思路,针对结构纵向偏弱刚度的问题,在离柱底5m处设置层间梁。PKPM模型见图3所示。经优化后,各框架柱减小只400x600,经计算,层间位移角满足规范要求。
三层间位移角的控制
结构层间位移角的控制实际上为结构刚度的控制。当结构层间位移角超限时,即表明此方向结构刚度偏弱。此时,改善框架结构体系刚度的方法有:1)增大该列柱截面在弯曲作用平面内的高度;2)增设内柱,减小柱距;3)加设更多的或更刚的水平梁,以加大整个框架的刚度等方法。在结构设计工作中,应跳出增大截面的思路莒县,分析各类方法,找出最优方案,在减小工程量的前提下增加结构的安全性。
参考文献
[1] 混凝土结构设计规范[M],中国建筑工业出版社,2010
[2] 建筑抗震设计规范[M],中国建筑工业出版社,2010
[3] 结构概念和体系[M],中国建筑工业出版社,2009
范文三:含少量剪力墙RC框架结构弹性层间位移角限值研究(可编辑)
含少量剪力墙RC框架结构弹性层间位移角限值研究
第 卷 第 期 四川建筑科学研究 年 月含少量剪力墙 框架结构弹性层问位移角限值研究
孟祥强 ,郭远翔
.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 ;
.华南理工大学建筑设计研究院,广东广州
摘 要:根据已有的试验资料并结合现有的结构设计分析方法,提出了含少量剪力墙 框架结构的弹性层问位移角限值为
/ 的参考建议。
关键词:框架结构;少量剪力墙;弹性层间位移角限值
中图分类号:. 文献标识码: 文章编号: ?? ? . ‘,’
. , , , ;
.,, ,:, /. : ; ; .要求:
引 言
限制剪力墙和柱等竖向结构构件产生受力
随着建筑业的发展,结构形式日趋复杂,空间分 裂缝或损坏;
析能力逐渐增强,目前在普通的民用建筑中,最常用保护非结构构件 维护墙、隔墙、内外装修
的结构形式是框架结构和框架一剪力墙结构,有些 等 ,使其免于变形过大而损坏;
按纯框架结构进行抗震计算时,弹性层间位移角不保证结构的整体稳定性。 能满足/ 的限制要求,特别是抗震烈度较高的 建筑抗震设计规范是以钢筋
混凝土构件 框架
场地,或是场地类别?,?场地上的建筑物。也有些 柱、抗震墙等 开裂时的
层间位移角作为多遇地震
纯框架在抗震计算时,抗扭指标不满足要求,或是扭 下结构弹性层间位移角
限制。
转位移比楼层竖向构件最大弹性水平位移与楼层
国内外研究现状
两端弹性水平位移的比值和最大层间位移与层间平
均位移值的比值 超过了 . 的限值,或是扭转周
. 框架结构的弹性层间弹性位移角限值研究
期比结构扭转为主的第一自振周期 与平动为主
童岳生、钱国芳 试验统计结果显示,墙面初
的第一自振周期 之比 超过了. 的限值,而为
裂时的层间位移角:无洞框架填充墙墙面初裂的平
了使结构分析满足规范的需要,在框架结构中布置
均位移角为/ ,开洞填充墙框架为/ 。墙
少量剪力墙的情况也越来越多,但是,规范没有明确
面裂缝连通时,侧移的主要分布区间为 . ?
规定此类结构的层间位移角的控制限值,这一问题
. 一,平均值为/ 。
常常困扰着结构工程师。
郭子雄 采用有限元程序 模拟框架的
分析结果显示:纯框架中柱的平均开裂位移角约为 结构变形限值的基本要求
/混凝土,强度等级降低时会有所减小 ;
国内外对层间位移角的研究主要满足以下 个 无开洞填充墙的开裂位移角约为/ 。填充墙 框架试验结果:无洞填充墙框架中,框架柱的平均初 收稿日期:裂位移角为/,开洞填充墙框架中,框架柱的平 作者简介:孟祥强 一 ,男,山东临沂人,硕士,主要从事高层建 筑结构设计。 均初裂位移角为/。
?:.
由上面的资料和根据以往的试验资料可知,填四川建筑科学研究 第 卷
宽,但应满足框架的 /。
充墙一般会先于框架柱开裂,因此,根据变形限制的 基本要求,在考虑框架柱开裂的同时,应考虑非结构 . 弹性阶段结构动力
分析方法
我国抗震设防的目标是根据不同的水准用不同 构件的损坏,有填充墙的框架结构弹性层间位移角 的抗震设计方法和要求来实现,称为三水准、两阶段 由保护非结构构件确定的。
抗震设计方法。抗震设防的 个水准目标:即“小
. 剪力墙的弹性层间弹性位移角限值研究
震不坏,中震可修,大震不倒”。 年内超越概率约
对于框架一抗震墙结构的抗震墙,其开裂层问
为 %的地震烈度为众值烈度,规范取为第一水准
位移角:试验结果为/~/ ,有限元分析
烈度; 年超越概率约为 %的烈度,规范取为第
结果为/ ?/ ,取二者的平均值约为
/ ? / 。 二水准烈度; 年超越概率为 %~%的烈度可作
为罕遇地震的概率水准,规范取为第三水准烈度。
试验及计算结果均表明,框架一剪力墙和剪力
墙结构中的剪力墙在很小的位移角下,即可能开裂。 各地震烈度水准相应的抗震设防目标是:一般情况
下,遭遇第一水准烈度 众值烈度 时,建筑处于正
但考虑到:
对结构刚度的过高需求可能难以实现最经 常使用状态,从结构抗震分析角度,可以视为弹性体
济的设计; 系,采用弹性反应谱进行弹性分析;遭遇第二水准烈
过大的刚度需求可能对结构的性能造成一 度 基本烈度时,结构进入非弹性工作阶段。但非
些负面影响,比如结构加速度反应随刚度增加而增 弹性变形或结构弹性的损坏控制在可修复的范围;
遭遇第三水准烈度 预估的罕遇地震 时,结构由较
大,从而可能影响到建筑内部对加速度较为敏感的
设备或物品的正常使用功能; 大的非弹性变形,但应控制在规定的范围内,以免倒结构的最大有害层间位移一般发生在建筑 塌。
下部剪力较大楼层,这些楼层的剪力墙承受的轴向 在弹性阶段,最常用的反应谱分析方法有单自
力一般都比较大,其开裂位移角一般也较大。因此, 由度的反应谱法和多自由度的振型分解反应谱法,
虽然控制作为主要抗侧力构件的剪力墙开裂是确定 采用反应谱法时,除应注意建筑抗震设计规范中给
位移角限值的主要依据,但同时还应考虑与其他建 出的限制外,还要注意到这一方法本身的限制。采
筑功能需求、经济陛、规范的可执行性等综合因素。 用反应谱分析时,结构和地震动应满足以下限制条
综上所述,我国抗震规范允许剪力墙在小震下 件:
有适度开裂。基于以上原因,新颁布的抗震规范对以结构体系的地震反应是线弹性的,因而可以
剪力墙为主要受力构件的结构的层间位移角限值,
采用迭加原理进行组合。
剪力墙结构取,框架一剪力墙结构为/ 。
结构所有支承处的地震动完全相同 刚性基
. 国内对少量剪力墙 框架结构弹性层问位 础假设 ,不考虑基础和地基的相互作用。
移角限值的一些建议结构的最不利地震反应为其最大地震反应,
同济大学董得胜 建议,根据含少量抗震墙的 而与其他动力反应参数无关,例如到达最大值附近
框架结构中剪力墙所承担的倾覆力矩的比例,限值
的次数和概率。
在 /与/之间确定,当抗震墙所承担的地地震动过程是平稳随机过程,因而可以用
震倾覆力矩大于 %时,按钢筋混凝土框架一抗震 “平方和开平方:’方法求总体反应。
墙结构的/;当为零时,即纯框架结构,即取为
实际问题不可能完全满足以上所有限制条件,
/,中间插值确定。 例如对于第 条,真实的地震动过程是非平稳的,
大连大学王玉杰 探讨了设置电梯井筒的框 地震动幅值开始快速上升,之后有一相对的平稳段,
架结构,电梯井筒对结构性能的影响,建议少墙框架 最后,幅值振荡衰减直至振动停止。但考虑到线弹
结构按照框架一剪力墙结构设计,位移控制按框剪 性结构的最大反应基本是在地震动振幅值最大的相
结构控制。 对平稳段取得,因此可以近似地采用平稳性假设。
中国建筑设计研究院扈志恒?。。建议,在实际设 . 小 结
根据我国规范要求,弹性变形验算属于正常使
计中,采用两次计算加以解决,一次按纯框架结构计
用极限状态的验算,各作用分项系数均取. ,钢筋 算;一次按框架一剪力墙结构计算,框架配筋按纯框 混凝土构件的刚度,可取弹性刚度,当计算变形较大 架结构计算结果采用,剪力墙配筋按框架一剪力墙 时,宜适当考虑截面开裂的刚度折减,在变形计算 结构计算结果采用。在保全二者强度的前提下,层 时,对于一般建筑结构,不扣除由于结构平面不对称 间位移角控制值较框架剪力墙的/ 可适当放
范文四:含少量剪力墙RC框架结构弹性层间位移角限值研究
RC 含少量剪力墙框架结构弹性层间位移角限值研究
1 12,,孟祥强 郭远翔
( 1, ,510640; 华南理工大学土木与交通学院广东 广州
2, , 510640)华南理工大学建筑设计研究院广东 广州
,: RC 摘 要根据已有的试验资料并结合现有的结构设计分析方法提出了含少量剪力墙 框架结构的弹性层间位移角限值为1 /800 。的参考建议
: ; ; 关键词框架结构少量剪力墙弹性层间位移角限值
: TU375. 4 : A : 1008 , 1933( 2011) 04 , 049 , 03 中图分类号文献标识码文章编号
The researching of the limit of elasticity inter-story drift ratio for RC frame structures with a small quantity of shear walls
1 1,2 MENG Xiangqiang,GUO Yuanxiang
( 1, School of Civil Engineering and Transportaiton,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China; 2, Architecutre Design and Research Institute,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China) Abstract: Based on the eixsting experimental dataan d combined with the eixsting structural design analysis methods,this paper presents a proposal that elastic storyd rift limit of frame structure itwh a small amounto f RC shear wall is 1 / 80 0,
Key words: frame structure; few shear walls; elastic allowable inter-story drift index
: 要求 0 引言1) 限制剪力墙和柱等竖向结构构件产生受力
;裂缝或损坏 ,, 随着建筑业的发展结构形式日趋复杂空间分2) ( 、、保护非结构构件 维护墙隔墙内外装修 ,,析能力逐渐增强目前在普通的民用建筑中最常用 ) ,;等使其免于变形过大而损坏 —,的结构形式是框架结构和框架剪力墙结构有些 3) 。保证结构的整体稳定性 ,按纯框架结构进行抗震计算时弹性层间位移角不 ( 建筑抗震设计规范是以钢筋混凝土构件框架
1 /550 ,能满足 的限制要求特别是抗震烈度较高的 、) 柱抗震墙等开裂时的层间位移角作为多遇地震
,,。场地或是场地类别??场地上的建筑物也有些 。下结构弹性层间位移角限制 ,,纯框架在抗震计算时抗扭指标不满足要求或是扭 2 国内外研究现状 ( 转位移比 楼层竖向构件最大弹性水平位移与楼层 2, 1 框架结构的弹性层间弹性位移角限值研究 两端弹性水平位移的比值和最大层间位移与层间平 ,4, 、,童岳生钱国芳试验统计结果显示墙面初 ) 1. 5 ,均位移值的比值超过了 的限值或是扭转周
: 裂时的层间位移角无洞框架填充墙墙面初裂的平 ( T期比结构扭转为主的第一自振周期 与平动为主 t 1 /2500,1 /926。均位移角为 开洞填充墙框架为 墙 T) 0. 9 ,的第一自振周期 之比超过了 的限值而为 1 ,(0. 95 :面裂缝 连 通 时侧移的主要分布区间为 ,了使结构分析满足规范的需要在框架结构中布置 , 3 1. 85) × 10 ,1 /714。平均值为 ,,少量剪力墙的情况也越来越多但是规范没有明确 ,5-7,SAP84 郭子雄采用有限元程序 模拟框架的 ,规定此类结构的层间位移角的控制限值这一问题 : 分析结果显示纯框架中柱的平均开裂位移角约为 。常常困扰着结构工程师 1 /800( C30 ,) ; 混凝土强度等级降低时会有所减小
/2000。1 无开洞填充墙的开裂位移角约为 填充墙 1 结构变形限值的基本要求 : ,框架试验结果无洞填充墙框架中框架柱的平均初 3 国内外对层间位移角的研究主要满足以下 个
1 /705,,裂位移角为 开洞填充墙框架中框架柱的平 1 /400。均初裂位移角为 : 2010-01-27 收稿日期 由上面的资料和根据以往的试验资料可知,填: ( 1983 ,) ,,,,作者简介孟祥强男山东临沂人硕士主要从事高层建 。筑结构设计 E ,m ail: 176687110@ qq, com
50 37 四川建筑科学研究第 卷
,, 充墙一般会先于框架柱开裂因此根据变形限制的/550。 ,1 宽但应满足框架的
,,基本要求在考虑框架柱开裂的同时应考虑非结构 , 4 弹性阶段结构动力分析方法2,构件的损坏有填充墙的框架结构弹性层间位移角 我国抗震设防的目标是根据不同的水准用不同 。由保护非结构构件确定的 ,、的抗震设计方法和要求来实现称为三水准两阶段
2, 2 剪力墙的弹性层间弹性位移角限值研究 。: “3 抗震设计方法抗震设防的 个水准目标即小
—,对于框架抗震墙结构的抗震墙其开裂层间 ,,”。50 震不坏中震可修大震不倒年内超越概率约 : 1 /3300 :1 /1100,位移角试验结果为 有限元分析 63% ,为 的地震烈度为众值烈度规范取为第一水准 1 /4000 :1 / 2500,结 果 为 取二者的平均值 约 为 ; 50 10% ,烈度年超越概率约为 的烈度规范取为第
; 50 2 : 3 %%1 /3000 : 1 /1600。 二水准烈度年超越概率为 的烈度可作
,。 ,—为罕遇地震的概率水准规范取为第三水准烈度试验及计算结果均表明框架剪力墙和剪力
: 各地震烈度水准相应的抗震设防目标是一般情况 ,。 墙结构中的剪力墙在很小的位移角下即可能开裂
,( ) ,:下遭遇第一水准烈度众值烈度时建筑处于正 但考虑到
,,常使用状态从结构抗震分析角度可以视为弹性体 1) 对结构刚度的过高需求可能难以实现最经
,; 系采用弹性反应谱进行弹性分析遭遇第二水准烈 ;济的设计
( ) ,。度基本烈度时结构进入非弹性工作阶段但非 2) 过大的刚度需求可能对结构的性能造成一
; 弹性变形或结构弹性的损坏控制在可修复的范围遭,些负面影响比如结构加速度反应随刚度增加而增
( ) ,遇第三水准烈度预估的罕遇地震时结构由较 大,大从而可能影响到建筑内部对加速度较为敏感的
,,的非弹性变形但应控制在规定的范围内以免倒 ;设备或物品的正常使用功能
。塌 3) 结构的最大有害层间位移一般发生在建筑
,在弹性阶段最常用的反应谱分析方法有单自 ,下部剪力较大楼层这些楼层的剪力墙承受的轴向
, 由度的反应谱法和多自由度的振型分解反应谱法,。, 力一般都比较大其开裂位移角一般也较大因此
,采用反应谱法时除应注意建筑抗震设计规范中给 虽然控制作为主要抗侧力构件的剪力墙开裂是确定
,。出的限制外还要注意到这一方法本身的限制采 ,位移角限值的主要依据但同时还应考虑与其他建
,用反应谱分析时结构和地震动应满足以下限制条 、、。筑功能需求经济性规范的可执行性等综合因素
:件 ,综上所述我国抗震规范允许剪力墙在小震下
1) ,。结构体系的地震反应是线弹性的因而可以 ,有适度开裂基于以上原因新颁布的抗震规范对以
。, 采用迭加原理进行组合 剪力墙为主要受力构件的结构的层间位移角限值
l /1000,—1 /800。剪力墙结构取 框架剪力墙结构为 2) ( 结构所有支承处的地震动完全相同刚性基
) ,。础假设不考虑基础和地基的相互作用
3) , 结构的最不利地震反应为其最大地震反应
,而与其他动力反应参数无关例如到达最大值附近
RC 2, 3 国内对少量剪力墙 框架结构弹性层间位。的次数和概率
移角限值的一些建议 4) 地震动过程是平稳随机过程,因而可以用,8,,同济大学董得胜建议根据含少量抗震墙的 “”。平方和开平方方法求总体反应
,框架结构中剪力墙所承担的倾覆力矩的比例限值 , 实际问题不可能完全满足以上所有限制条件
1 /800 1 /550 ,在 与 之间确定当抗震墙所承担的地 4 ) ,, 例如对于第 条真实的地震动过程是非平稳的
50% ,—震倾覆力矩大于 时按钢筋混凝土框架抗震 ,, 地震动幅值开始快速上升之后有一相对的平稳段1 /800; ,,墙结构的 ,当为零时即纯框架结构即取为 。最后幅值振荡衰减直至振动停止但考虑到线弹
1 /550,。中间插值确定 性结构的最大反应基本是在地震动振幅值最大的相 ,9, ,。大连大学王玉杰探讨了设置电梯井筒的框 对平稳段取得因此可以近似地采用平稳性假设 ,,架结构电梯井筒对结构性能的影响建议少墙框架
—,结构按照框架剪力墙结构设计位移控制按框剪
。结构控制 ,10,,中国建筑设计研究院扈志恒建议在实际设
,,计中采用两次计算加以解决一次按纯框架结构计 2, 5 小 结; —,算一次按框架剪力墙结构计算框架配筋按纯框 ,根据我国规范要求弹性变形验算属于正常使 ,—架结构计算结果采用剪力墙配筋按框架剪力墙 ,1. 0,用极限状态的验算各作用分项系数均取 钢筋
。,结构计算结果采用在保全二者强度的前提下层 ,,混凝土构件的刚度可取弹性刚度当计算变形较大
1 /800 间位移角控制值较框架剪力墙的 可适当放 ,,时宜适当考虑截面开裂的刚度折减在变形计算
,,时对于一般建筑结构不扣除由于结构平面不对称
51 ,: RC 2011 No. 4 孟祥强等含少量剪力墙 框架结构弹性层间位移角限值研究
P—Δ 效应所产生的水平相 引起的扭转效应和重力 , 应谱法是按照构件的弹性刚度进行计算的含少量
剪力墙的框架结构如在分析计算时考虑剪力墙的刚 对位移。根据上述研究结果看,可以综合如下:
,,度退化需要把弹性刚度进行折减但是目前剪力墙 1) 1 /550 ,采用 作为框架结构的位移角限值不 随位移角或其他方面的刚度退化曲线还没有可选择 , 仅可以在一定程度上避免填充墙出现连通斜裂缝
。的本构关系 ,又可以控制框架柱的开裂而且可以基本保证框架
。柱始终在弹性受力状态 ,综上所述针对引言提出的问题可建议采用下 2) —规范规定框架剪力墙结构层间位移角采 :面的建议 1 /800,用 此限制的取值是统计了我国近十年来建 1) ,当按纯框架结构进行抗震计算时弹性层间 124 —、—、、成的 栋钢筋混凝土框墙框筒抗震墙筒 1 /550 ,位移角不能满足 的限制要求时说明结构刚 ,结构高层建筑的结构抗震计算结果在多遇地震作 ,度比较低采用加大框架柱或加剪力墙形成含少量 1 /800。用下的最大弹性层间位移均小于 由于剪力 —。剪力墙的框架结构或框架剪力墙结构 ,墙肢在底部截面开裂前和开裂后刚度变化较大根
2) 当计算时纯框架结构的抗扭指标不满足要 ,8 ,,1 /500 ,据文献当剪力墙层间位移角达到 时其
,1. 5 ,30% ,,求或是扭转位移比超过了 的限值或是扭转周 割线刚度约等于其初始弹性刚度的 因此剪
,力墙进入非弹性阶段时刚度折减比较大也无明确 0. 9 ,,期比超过了 的限值说明了结构平面不规则或
,的退化规律失去了通过加剪力墙增加结构刚度的 ,,, 者是超长结构主要是增加结构的抗扭刚度因此。意义 可以在结构周边增加剪力墙来提高结构的抗扭刚 3) ,在进行抗震第一水准设计时采用的方法是 。度 ,振型分解反应谱法此方法的主要限制条件是要求 3) 1 ) ) 2 ,对 和 的情况当抗震墙所承担的地震 ,,在计算时结构体系为线弹性的因此当结构的竖向 50% ,—倾覆力矩大于 时按照框架剪力墙结构设 ,构件有刚度退化时应在计算之前把构件弹性刚度
; 50% , 计当抗震墙所承担的地震倾覆力矩小于 时。进行折减
,1 /800 按照框架结构设计但层间位移角需要满足
。,的要求框架与剪力墙在计算时不论按框架还是
—; 框架剪力墙都是按位移协调变形计算至于分框
—,架结构和框架剪力墙结构是由于规范的一些调 3 结论
,整系数或其他的一些限制的规定不同如轴压比等 , 根据上面的国内外研究现状建议含少量剪力。才加以区分的 RC 1 /800,墙 框架结构弹性层间位移角限值取 并供 。结构工程师参考当计算时纯框架结构的抗扭指标 :参 考 文 献
,1. 5 ,不满足要求或是扭转位移比超过了 的限值或
0. 9 ,是扭转周期比超过了 的限值可在框架结构里 ,1, GB 50010 , 2002 ,S,, : 混凝土结构设计规范北京中国建筑工,面加少量的剪力墙来提高结构的抗扭能力但须满 ,2002,业出版社
—/800 , GB 50011 , 2001 ( 2008 ) ,S, , : 1 足框架剪力墙弹性层间位移限值 的要求建筑抗震设计规范版北京中 ,2, ,2008,国建筑工业出版社 :其主要原因如下 JGJ3 , 2002 ,S, , : 高层建筑混凝土结构技术规程北京中国 1) 剪力墙作为抗侧力构件在此限值下可不考 ,3, ,2002,建筑工业出版社 ,虑剪力墙的刚度退化按框架与剪力墙的线弹性刚 ,, ,J,, 童岳生钱国芳砖填充墙框架的变形性能及承载力西安 ,4, ,1985,17( 2) ,。冶金建筑学院学报 度体系进行计算分析设计
,,, ,J,, 吕西林王亚勇郭子雄建筑结构抗震变形验算建筑科 2) 1 /800 ,剪力墙的位移角大于 时建筑物遭遇 ,2002,,5, 学
,, 多遇地震时不能保证剪力墙处于正常的使用状态,,, 郭子雄吕西林王亚勇建筑结构抗震变形验算中层间弹性 ,J,, ,1998,2( 6) ,位移角限值工程抗震 ,,,6, 剪力墙带裂缝工作刚度退化结构变形限值的基本 ,,, 王亚勇吕西林郭子雄建筑抗震设计中地震作用取值及主 “条件限制剪力墙和柱等竖向结构构件产生受力裂 ,J,, ,1999,要国家抗震规范比较建筑科学 ,7, , RC 董得胜含少量抗震墙的 框架结构地震反应位移限值研究 ”,1 /500 , 缝或损坏也无法满足甚至在位移角为 时,D,, : ,2004,上海同济大学土木工程学院 30% ,、刚度退化到弹性刚度的 在设防的第二第三 ,8,
,水准时剪力墙作为主要的受力构件将产生严重的
,9, , 王玉杰框架结构中设置电梯井筒对结构受力性能的影响。,破坏因此为保护竖向结构构件产生受力裂缝或 ,J,, ,2003( 6) ,工程抗震 ,损坏建议只要含剪力墙的框架结构体系弹性层间 ,10, , ,J,, 扈志恒关于框架加少量剪力墙结构抗震设计的探讨建 ,2004,筑结构 1 /800。位移要小于 ,11, ,, 孙金墀关启勋钢筋混凝土有边框柱剪力墙的强度与变形性
,J,, ,1988,9( 6) ,能建筑结构学报
3), 在结构分析计算时目前使用的振型分解反
范文五:填充墙对框架结构侧移及层间位移角影响分析_叶艳霞
第 26卷 第 4期 世 界 地 震 工 程 l . V o . 26 N o 4 2010年 12月 W ORLD
EARTHQUAKE ENGINEER I G N . D ec 2010文章编号: 1007- 6069 2010 04- 0150-
06 填充墙对框架结构侧移及层间位移角影响分析 叶艳霞 黄 华 朱 钦 张国振 金
池 张 雄 长安大学 建筑工程学院 陕西 西安 710061 摘 要 : 为了研究填充墙
对框架结构侧移和层间侧移角的影 响特点 给结构设 计提供参 考和建议 建 立了
29个带填充墙的框架结构有限元分 析模型 输入 3种不 同的地 震波进行 了时程
分析。填 充墙 体对框架结构抗侧移大小和层间侧移角的影响 不容忽 略 影 响其
大 小的因 素主要 有填充 墙体材料、 位置以及计算时地震波的选用。为避免由于
填充墙体布 置不当造 成所谓 的 / 薄 弱层 0 建 议本 数量、 层填充墙体数量不
得小于其上部楼层 的 60 。最 后 给出了 考虑 填充墙 体作 用的结 构刚 度计
算公 式。 关键词: RC 框架结构 填充墙 层间侧移 薄弱层 中图分类号: TU 398 .
9 P315. 9 文献标志码: A Analysis on the in fluence of in filled w alls to lateral d isp lacem en t and in terstorey drift angle of RC fram e N i YE Yanx ia HUANG H ua ZHU Q in ZHANG Guozhen JI Ch ZHANG X io ng . S chool of C onstru ct ion E ngineering C hang. an U n ivers ity X i an 710061 Ch ina :Abstract In order to know the in fluence o f in f illed w a lls to lateral displacem ent and in terstorey drift ang le of RC . m m -histo ry ana lyses offram e 29 fin ite elem ent m ode ls of the RC fra e w ith in filled w alls are established and the t i e .th e m ode ls under 3 different types of earthquake w aves have been achieved The resu lts show that the in flu ence of -in filled w a lls on the RC fram e can not be ig nored and the m a in influencing factors are of m ater ia l quantity loca . mt io n of the infilled w alls and the se lect ion of earth quake w aves T o avo id the w eak storey causin g by i proper ar - mrange ent of in filled w alls it is suggested that the num ber o f th e in f illed w a lls on the storey should not be less than . m m60 o f its upper sto rey infilled w alls T he for ula about the structural stiffn ess for the RC fra e w ith in f illed w allsis proposed. :K ey w ord s RC fra e infilled w a l interstorey lateral disp lacem en w eak storey m l t引言 框架结构由于能够形成较大
的使用空间并具有较好的整体性能 是应用较多的结构体系之一。汶川地 1震后的
震害实例调查 表明 框架结构房屋除了部分主体结构的破坏外 填充于框架平面内
墙体的破坏较为普遍且严重 造成了大量经济损失。因此 进行填充墙对框架动力响
应影响的研究 更好地把握结构的实际动力特性和动力反应特点 并将研究成果用于
指导结构设计 对于有效减少框架结构在地震作用下的破坏 降低震害造成的经济损
失有着重要的理论意义和实践价值。 收稿日期: 2009- 08- 08 修订日期: 2009- 10- 27
基金项目: 陕西省自然科学基金项目 2009 J 7013 高等学校博士点基金项目
20090205120008 M 作者简介: 叶艳霞 1970- 女 副教授 博士 主要从事结构
抗震理论研究 1 Em ai: yeyanx ia chd edu cn l . .第 4期 叶艳霞 等: 填充 墙对框架
结构侧移及层间位移角影响分析 151 国内外研究人员已经进行了一些考虑填充墙
对结构体系影响的研究工作 取得了宝贵的经验。填充墙在竖向力作用下为非受力构
件 但在水平力作用下 填充墙实际上是一种受力构件。无论是研究经验和成果 目前
对框架结构力学性能的研究表明: 作为非结构构件的填充墙 虽然强度和刚度都相
对较高的砖墙还是相对 / 柔弱 0的轻质砌块 它们在水平载作用下都能够充分发挥
其抗侧能力 对结构的抗侧刚度都有较 2- 8大的影响 。 由于填充墙材料种类较多
并且在框架结构中填充位置也不尽相同 填充墙体对框架结构动力特性影响较为复
杂。文中通过考虑墙体材料、填充位置等因素 建立了 29个典型框架结构的空间有
限元分析对比模型 对其进行在 3种地震动输入下的动力时程分析 研究了楼层侧移和层间位移角的变化规律及特点 并对考虑填充墙影响的框架结构设计提出建议。1 分析模型介绍 结构布置及尺寸如图 1 框架底层层高 3 9 其余为 3 3m 共 10层。梁、 . m . 、 板混凝土强度等级为 C30 柱 3 MP 、为 C35 弹性模量分别为 30 000 a 31 500MP a 容重为 26kN /m 。填充墙采用标准砖、 蒸压粉 水泥空心砖、 3 M 、 、煤灰加气混凝土砌块 3 种材料 弹性模量 分别为 3 400 Pa 3 400MP a 2
200 Pa 容 重分别为 19kN /m 、 M 918kN /m 、. 5kN /m 。填充墙布置如图 2 / 薄弱层 0分别位于底层、 层、 3 3 5 3 5层、 层和顶层。数值分析采用 8 12通用有限元程序 ANSYS 填充墙单元采用 SHELL 63 。梁柱单元采用 BEAM 188 楼板、 。考虑填充墙与框架连接较弱 采用半刚性连接 其它构件均采用刚性连接。 图 1 某 10层框架结构布置图 F ig. 1 Structura l layou t of a 10-story frame 图 2 填充墙层 间布置 图中粗线表示填充墙体所在位置 . F ig 2 Layout of the filled w all 152
世 界 地 震 工 程 第 26卷 相应的模型编号见表 1 空心砖与加气混凝土砖 c e
。表中 B、 与 Q 分别表示标准砖、 K 、地波 E l Centro波与 T 与 t分别表示场
aft波。 表 1 模型编号表 T able 1 M ode l num bers 建模方式 墙体材料 输入地震动 分析结果编号 标准砖 B Taft t BK-t BK-e BK-c 纯框架 空心砖 K E l C entro e K K-t KK-e K K-c 加气混凝土 Q 场地波 c Q K-t QK-e Q K-c 标准砖 B BQK-t 墙体满布于各层框架 空心砖 K Taft t KQK-t 加气混凝土 Q
B BQK-1W-t 底层无墙 空心砖 K Taft t KQK-1W-t 加气混凝QQK-t 标准砖
土 Q QQK-1W-t 标准砖 B Taft t BQK-1H-t 底层仅三面维护 空心砖 K E l C entro e KQK-1H-t 加气混凝土 Q 场地波 c QQK-1H-t 底层仅外维护 标准砖 B BQK-1H . 标准砖 B BQK-1B-t 底层一半内隔墙 空心砖 K Taft t KQK-1B-t 加气混凝土 Q QQK-1B-t 标准砖 B BQK-1D-t 底层中间大开间 空心砖 K Taft t KQK-1D-t 加气混凝土 Q QQK-1D-t Taft t H H BQ K-3H 5
8H 10 -t 3 5 8 10 层仅外围护墙 标准砖 E l C entro e H BQK - 3H 5 8H
10H -e 场地波 c H BQK - 3H 5 8H 10H -c 3 5 8 10 层一半内隔墙 标准砖 Taft t H BQK - 3B 5H 8 10H -t 3 5 8 10 层中间大开间 标准砖 Taft t BQK-3D 5H 8H 10H -t2 模型结构层间侧移研究 分别对上述模型输入加速度峰值为 0 2g的 T aft波、 l C entro波和场地 Cd波进行动力时程分析 可得 . E到模型各楼层的位移时程曲线及相应的最大楼层侧移值。 、 、、 、 图 3为 T aft波作用下 填充墙为标准砖的几种不同框架模型的楼层侧移曲线。图 3 a 为 1 3 5 8 10层仅有三面围护墙及纯框架时的楼层侧移曲线对比图。纯框架侧移图的顶点位移最大为 146mm 3层薄弱的顶点位移为 123mm 1层、 8层、10层薄弱模型的顶点位移较小大致为 90 95mm 5层薄弱模型的顶点位移为 114mm 全墙模型的侧移最小。从曲线形状来看 纯框架模型由于刚度较小 结构的总重力荷载代表值与其它情况相同 故高阶振型的影响较为明显 顶部楼层侧移增加明显。其它情况下 考虑各墙作用使得结 、、构总的刚度有所提高 结构的变形以第 1振型影响为主。图 3 b 为分别在 3 5 10层存在中间大开间以及 、、全墙和全框架模型的侧移曲线对比图。图 3 c 为分别在 3 5 10层填充一半墙体以及全墙和全框架模型的侧移曲线对比图。从图 3 b 和图 3 c 中可以看到同样的曲线分布规律。图 3表明 由于某一楼层填充墙布置数量较少使得结构的侧移曲线有所不同。当相对 / 薄弱 0的楼层处于结构总高的中间
部位 如在 3 5、 、 8层 时 结构的侧移曲线对应值较大。 通过对图中 3组曲线的纵向对比可见 当指定楼层仅有外维护填充墙时 结构的侧移最大 指定楼层填充墙为中间大开间时的结构侧移次之 当相应位置有一半填充墙时结构侧移较小。可见 / 薄弱 0楼层填充墙体数量对结构的侧移曲线也有较大的影响。通过图中数值计算可得 考虑填?淝教遄饔玫目蚣芙峁苟サ阄灰平洗靠蚣苣,图跣?16 38 。 可见 填充墙体沿结构高度变化以及在某一楼层填充墙体数量的变化都将对框架结构的侧移曲线产生较为明显的影响。在进行框架结构设计时 不但应考虑结构构件的分布情况 也应重视填充墙体的布置 并在计算中予以考虑。第 4期 叶艳霞 等: 填充 墙对框架结构侧移及层间位移角影响分析 153 图 3 T a ft波作用下标准砖 填充墙侧移曲线 . m m w F ig 3 M ax i um sto rey displace ent be t een mode ls of standard brick
filled w all under T aft w ave3 地震作用下结构层间侧移角分析 图 4 图 6反映了不同地震波作用下 填充墙体布置变化对应的层间位移角曲线。 图 4 标准砖填充墙不同薄弱楼层模型在三种地震波下的层间 侧移角曲线 图 5 T aft波作用下标准砖填充墙数量 F ig 4 M ax i um inte rstory drift ang le between the d ifferent weak . m 变化层间位移角曲线 story models o f the standa rd br ick filled wa lls under three k inds o f .
i um interstory dr ift angle earthquake w aves between m ode ls of m F ig 5 M ax
standard brick filled w all under T aft w av e 图 4为标准砖填充墙分别在 3、、、 5 8 10层仅有三面围护墙模型在 3种地震波作用下的层间位移角曲线。从图 4 a、 b 、 c中可以明显看到结构层间位移角最大的楼层出现在填充墙体数量减少的楼层 分别 4 4 、、对应于 3 5 8层 这一现象表明填充墙体数量减少的楼层是结构抗侧刚度相对薄弱的部位。图中还可看出不同地震波作用下 薄弱楼层层间位移角的大小有一定差别 例如薄弱 3层模型在场地波作用下的层间最大位移角是 T aft波作用下的 2倍。这一现象表明 在进行结构地震反应分析时 应结合分析的对象 按照抗震规范的规定选取不少于 3条地震波进行计算。图 4 d 对应于结构顶层围护墙体减少的情况 各楼层的层间侧移角较为接近 说明顶层填充墙数量减少对框架结构影响不大。 4组曲线的形状相似、规律一致 说明尽管采用不同地震的动力时程分析结果不尽相同 但其内在规律较为一致。 154 世 界 地 震 工 程 第 26卷 图 5为 T aft波作用下中间楼层标准砖填充墙数量变化时结构层间位移角曲线。图 5 a 对应于 3层填充墙变化情况 图 5 b对应于 5层填充墙变化情况。两组曲线均表明 随着填充墙数量的增加 薄弱楼层的层间位移角也逐渐减小。说明填充墙数量的增加有助于提高楼层的抗侧刚度。通过计算可得填充墙体数量改变对结构侧移影响的关系见表 2。 表 2 薄弱楼层填充墙 体数量与层间侧移角比较 -w m - T able 2 Contrast of the amount of f.
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