强柱系数基于结构易损性的抗震性能评估

增大柱端抗弯承载力是抗震"能力设计"措施中引导钢筋混凝土框架结构形成梁铰型有利耗能机构的关键措施。本文以6层确定性钢筋混凝土框架结构为分析对象,通过结构易损性分析评估了不同强柱系数取值对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响。结构易损性分析表明增大柱端抗弯承载力是改善结构抗震性能的有效措施,增大强柱系数提高了结构的变形能力,使不同破坏极限状态之间形成较大的"梯度",对防止强烈地震作用下结构的突然倒塌提供了预示。结构易损性曲线对评估结构抗震性能、选用合适的目标强柱系数提供了量化标准。

强柱系数对多层钢框架结构动力响应的影响

为明确强柱系数的大小和不同定义形式对典型多层钢框架结构动力响应的影响,以不同强柱系数值(0.9~1.5)和不同定义形式(结构层定义、结构的柱梁节点定义)为研究参量,设计柱脚刚接的典型多层钢框架结构模型,通过强震下的动力时程分析,研究结构模型的最大层间位移、最大层间位移角集中率及构件的塑性变形能量等变化规律。通过研究发现,随着强柱系数的减小,各模型最大层间位移变形及构件塑性变形能量呈现向首层集中的趋势,强柱系数≤1.2且按柱梁节点设计的模型尤其明显,其位移角集中率也较大;而强柱系数≥1.5的模型塑性变形能量基本分布于梁,且分散于1~6层。各模型的地震输入能量速度换算值和塑性变形能量速度换算值大小取决于结构模型的基本周期,与强柱系数大小和定义形式无关。

强柱弱梁型多层钢结构的动力损伤机理分析

基于钢结构的动力损伤机理不明,为进一步研究强柱弱梁型多层钢结构损伤机理,以柱脚形式、强柱系数即α的不同定义方式及结构首层剪重比为主要研究参量,设计6个强柱弱梁型多层钢结构模型;对模型进行弹塑性分析,研究层间位移响应、柱梁塑性变形能量总合值的各层分布、首层柱梁端塑性变形能量及滞回曲线等。计算表明:首层剪重比的增大(从0.25增大至0.45),在设防烈度地震下递减结构层间位移响应,而罕遇地震下没有递减结构层间位移响应;各层柱梁的塑性变形能量最大值的总合值,首层值偏大;其中,首层塑性能量,柱脚刚接模型集中于柱底端,柱脚铰接模型主要集中在梁端;强柱系数按节点设计的模型,塑性变形能量主要向各层梁端分布;罕遇地震下柱梁需求性能远小于焊接连接的柱梁节点具备的持有性能。

半刚接柱脚低层规则钢框架损伤分布机理

针对低层规则钢框架损伤分布机理不明确,以钢框架的强柱系数、首层剪重比为主要研究参量,建立8个半刚接柱脚三层规则钢框架模型。通过弹塑性分析,研究半刚接柱脚低层规则钢框架损伤分布机理。结果如下:柱、梁均刚接的模型首层变形集中,为防止首层破坏,强柱系数要求在1.9以上;有轴力柱的模型各层层间位移分布较均匀,然而刚接梁端部和半刚接柱脚地震需求性能较大;随着强柱系数的增大,梁的延性比和累积塑性延性比均增大。

不同柱脚形式常规低层钢框架的损伤机理分析

为进一步研究常规低层钢框架结构的损伤机理,以柱脚形式和强柱系数为主要研究参量,设计12个等强的常规低层钢框架;其中,柱梁节点均刚接的CM模型有9个,柱梁节点刚接和铰接混合的UM模型有3个。对各模型进行弹塑性分析研究,结果如下:CM模型首层变形集中,随着强柱系数和柱脚嵌固程度减少,首层变形集中越明显;而UM模型的层间侧移角分布各层较均匀。为防止CM模型形成首层层破坏机制,在设防烈度地震和罕遇地震作用下,柱脚刚接时,强柱系数的需求大于1.3和1.7;当柱脚半刚接或铰接时,在设防烈度地震时需求的强柱系数为2左右,而罕遇地震时需求的强柱系数大于2。另外,CM模型主体结构的用钢量少于UM模型,同类模型中柱脚刚接模型最省材料。

柱脚铰接的常规多层钢框架静动力分析

为明确柱脚铰接的常规多层钢框架结构的静动力性能,基于不同国家的抗震规范,建立不同设计方式(层设计、柱梁节点设计)和不同值强柱系数的柱脚铰接常规多层钢框架结构模型。采用平面框架组合非线性分析对模型进行静动力分析,研究模型的破坏机制、最大层间反应及结构构件滞回曲线。结果表明:强柱系数为1.2的模型,按柱梁节点设计时结构形成局部破坏机制,按层设计时结构形成整体破坏机制;而强柱系数≥1.5的模型结构均形成整体破坏机制。强柱系数≤1.2的模型,按层设计可使常规多层钢框架结构的层间损伤得到缓和;各模型柱端塑性变形能量随强柱系数增大而减小,梁端塑性变形能量则随强柱系数增大而增大。研究结果可为钢框架结构设计提供最基础的参考数据,为钢结构设计工程服务。

基于能量平衡规律研究低层钢框架结构损伤分布机理

针对低层钢框架损伤分布机理不明确,以钢框架的强柱系数、柱脚形式及首层剪重比为主要研究参量,建立16个典型低层钢框架模型;通过强震作用下的弹塑性时程分析,基于能量平衡原理研究低层钢框架楼层以及构件的损伤分布机理.研究结果表明:罕遇地震输入能量的80%以上靠钢框架构件塑性变形来吸收;低层钢框架首层变形集中,为防止首层破坏,柱脚刚接时强柱系数要求1.7以上,柱脚铰接时,建议强柱系数大于2.当强柱系数大于3时,各层层间位移分布基本均匀,然而刚接梁地震需求性能增大,在设计中对梁高的控制及梁柱节点连接的工艺要求较高.