地震激励下钢筋混凝土框架结构楼层损伤研究
: 34-38&&&&DOI: 10.13204/j.gyjz
结构可靠性及工程结构损伤识别研究
地震激励下钢筋混凝土框架结构楼层损伤研究
郑山锁, 王萌, 胡义, 闫岳恒
西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055
RESEARCH ON THE STOREY DAMAGE MODLE OF RC FRAME STRUCTURE UNDER SEISMIC EXCITATION
Zheng Shansuo, Wang Meng, Hu Yi, Yan Yueheng
School of Civil Engineering, Xi&an University of Architecture and Technology, Xi&an 710055, China
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邮编： 100088我国对钢混结构现代抗震思路及我国设计规范抗震设计方法的理解和_建筑文库_中国百科网
我国对钢混结构现代抗震思路及我国设计规范抗震设计方法的理解和
    
&&&&　　1．R-μ-T关系及其应用&&&&　　在二十世纪五十年代，当美国的权威人士G.W.Houser导出了第一条地震反应谱和对地震激励下的弹性反应规律的研究很快被学术界接受后，人们很快发现了一个与当时的抗震设计方法相矛盾的问题，那就是例如对一个第一振型周期为0.5s~1.5s，阻尼比为0.05的结构，结构地震反应加速度约为地面运动峰值加速度的1.5～2.5倍，比如赋予上述结构一个不大的地面运动加速度0.15g，则根据反应谱导出的结构反应加速度已达到0.23g～0.375g，而世界各国当时的设计规定中一般用来确定水平地震力大小的加速度只有0.04g~0.15g，但让人不解是，震害表明，虽然设计用的反应加速度很小，但结构在地震中的损伤却不太大。这么大的差距是不能用安全性或设计误差来解释的，于是，各国的学术界加紧了对这一问题的研究，大家通过对单自由度体系的屈服水准、自振周期（弹性）以及最大非弹性动力反应之间的关系；同时还研究了当地面运动特征（包含场地土特征）不同时，给这种关系带来的变化，我们把这方面的研究工作关系其中R是指在一个地面运动下最大弹性反应力与非弹性反应屈服力之间的比值，称为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数或者反应调节系数；μ为最大非弹性反应位移与屈服位移的比值，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。研究表明，对于长周期（指弹性周期且T>1.0s）的结构可以适用“等位移法则”，即弹性体系与弹塑性体系的最大位移反应总是基本相同的；而对于中周期（指弹性周期且0.12s）。&&&&　　之所以存在上诉规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力不会下降的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。 &&&&　　2．我国现行抗震设计规范中的不足之处 &&&&　　抗震规范规定，我国的抗震设防目标必须坚持“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则，而建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6-8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6-8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。丙类建筑应属于甲、乙、丁类以外的一般建筑，地震作用和抗震措施应符合本地区抗震设防烈度的要求。我们知道，一栋建筑在大震下能否不倒，已经不是看其承载力的大了了，而是看它的延性是否能够到达设计要求。 &&&&　　3．常用的抗震分析方法 &&&&　　结构抗震设计的首要任务就是是对结构最大地震反应的分析，以下是一些常用的抗震分析方法： &&&&　　1.底部剪力法 &&&&　　底部剪力法实际上时振型分解反应谱法的一种简化方法。它适用于高度不超过40m，结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，此时假设结构的地震反应将以第一振型为主且结构的第一振型为线性倒三角形，通过这两个假设，我们可近似的算出每个平面框架各层的地震水平力之和，即“底部剪力”，此方法简单，可以采用手算的方式进行，但精确度不高。 &&&&　　2.振型分解反应谱法 &&&&　　振型分解反应谱法的理论基础是地震反应分析的振型分解法及地震反应谱概念，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。此法计算精度高，但计算量大，必须通过计算机来计算。 &&&&　　3.弹性时程分析 &&&&　　弹性时程分析法，也称为弹性动力反应分析。所谓时程分析法就是将建筑物作为弹性或弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度记录，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移，速度，加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线。而弹性时程分析法就是把建筑物看成是弹性振动系统。 &&&&　　4.非线（弹）性时程分析 &&&&　　非弹性时程分析法，也称为非线性动力反应分析。就是将建筑物作为弹塑性振动系统来输入地面地震加速度记录。上面所提到的基于地震反应谱进行设计的方法，可以求出多遇地震作用下结构的弹性内力和变形，同样可以求得罕遇地震作用下结构的弹塑性变形。但是它不能确切了解建筑物在地震过程中结构的内力与位移随时间的反应；同时也难以确定建筑结构在地震时可能存在的薄弱环节和可能发生的震害；由于计算简化，抗震承载力和变形的安全度也可能是有疑问的。而时程分析法就可以准确而完整的反映结构在强烈地震作用下反应的全过程状况。所以，它是改善结构抗震能力和提高抗震设计水平的一项重要措施。 &&&&　　5.非线（弹）性静力分析： &&&&　　非线（弹）性静力分析主要是指推覆方法，它从本质上说是一种静力分析方法，对结构进行静力单调加载下的弹塑性分析。具体地说，在结构分析模型上施加按某种方式模拟地震水平惯性力的侧向力，并逐级单调加大．构件一旦开裂或屈服，修改其刚度；直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移）。其优点突出体现在；较底部剪力法和振型分解反应谱法，它考虑了结构的弹塑性特性；较时程分析法．其输入数据简单，工作量较小。
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2016剪力墙在建筑结构的分析与应用
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&&&&&&&&字数：2500字
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1高层建筑常见的结构体系特点我国对高层建筑定义:“十层及十层以上的住宅建筑为高层建筑，除住宅建筑之外的民用建筑高度大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)［1］。”高层建筑常见的结构体系有框架体系、剪力墙体系、框架-剪力墙体系以及筒体体系，前三类结构体系的特点如下。1.1框架体系框架体系由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载，具有较高的承载能力和较好的整体性;其平面布置灵活、可形成较大的空间，但在水平荷载作用下表现出抗侧移刚度小，水平位移大的特点。框架体系的适用高度在地震区为6～15层，在非地震区为15～2层［2］。1.2剪力墙体系利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的体系称为剪力墙体系，其实质上是固结于基础的钢筋混凝土墙片，具有很高的抗侧移能力。一般情况下，剪力墙体系楼盖内不设梁，楼板直接支承在墙上，墙体既起承重作用，又起围护和分隔作用。剪力墙体系抗侧力刚度大，整体性好，整齐美观，抗震性能好，但由于其横墙较多、间距较密，使得建筑平面的空间布置灵活性较差［3］。剪力墙体系常用于住宅、旅馆等开间要求较小的高层建筑，其适用高度为15～5层［2］。1.3框架—剪力墙体系在框架体系的适当部位增设一定数量的剪力墙，形成的框架和剪力墙结合在一起共同承受竖向和水平荷载的体系称为框架-剪力墙体系，其侧向刚度比框架体系大，大部分水平荷载由剪力墙承担，而竖向荷载主要由框架承担，因而用于高层房屋比框架体系更为合理;同时由于其部分位置设置有剪力墙，保持了框架体系易于分割空间、立面易于变化等优点［4］;此外，其抗震性能也较好。框架—剪力墙体系常用于多层及高层办公楼、旅馆等建筑，其适用高度为15～25层，一般不宜超过3层［2］。2计算机模拟建筑模型计算机模拟建筑模型的建模参数如下:该建筑为单过道式轻质隔音隔墙办公大楼，不考虑剪力墙开洞以及隔墙的自重作用，永久荷载标准值取3.5kN/m2，可变荷载标准值按照《建筑结构荷载规范》(GB59—212)取为取2.kN/m2。结构抗震等级为一级，场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度第二组，设计基本地震加速度值为.1g。纵向轴网间距5m×1，横向轴网间距5m+2.5m+5m，层高3m。框架体系中，柱截面尺寸5mm×5mm，梁截面尺寸分别为3mm×55mm，25mm×5剪力墙体系中，剪力墙沿着轴网横向布置，厚度5mm，连梁截面尺寸分别为3mm×55mm，25mm×5板厚12mm。按照《混凝土结构设计规范》(GB51—21)规定，框架柱、框架梁、剪力墙和连梁的混凝土强度等级C4，现浇楼板的混凝土强度等级C3;框架柱、框架梁、剪力墙和连梁、楼板的纵向受力钢筋均采用HＲB4级，箍筋均采用HPB3级。模型实体如下图所示(注:1层框架结构为模型1，1层剪力墙结构为模型2，2层框架结构为模型3，2层剪力墙结构为模型4)。3模型计算分析结果3.1位移分析从计算结果中可以看出，所有模型的层间位移角都满足《建筑抗震设计规范》(GB511—21)中表5.5.1对钢筋混凝土框架(θ≤［θe］=1/5)和抗震墙(θ≤［θe］=1/1)中结构弹性层间位移角的规定［5］。在结构受力概念中可以假设剪力墙结构的侧墙为若干个框架柱连接组合而成，由于图1各楼层模型图剪力墙的侧向截面惯性矩比框架结构较大，相对剪力墙结构而言，框架结构可看成柔性结构，所以剪力墙的抗侧刚度要比框架结构较大，其每层的层间最大位移、层间最大位移角比框架结构较小。从表中的最大位移和最大位移角还可以看出，所有模型的顶层都随着地震作用而发生“鞭梢效应”，即在地震作用下，高层建筑或其他建(构)筑物顶部细长突出部分振幅剧烈增大的现象［6］。在模型1和模型2中，虽然楼层剪力和楼层弯矩随着楼层增加而不断减小，但是楼层最大位移随着楼层的增加而不断增大，模型2的楼层最大位移比模型1的增大幅度较小;楼层的最大位移角是反映结构楼层在水平地震作用下的重要技术性能参数，各层的最大位移角有增大、也有减小，但是模型2的楼层最大位移角变化幅度不大，几乎都在1/9。上述分析结果表明剪力墙结构在地震作用下，其顶部发生“鞭梢效应”现象比框架结构较小。另外，从模型3和模型4的最大位移和最大位移角中可以看出，虽然模型3的顶部发生“鞭梢效应”的现象比模型4较小，但是纵向比较模型2和模型4可以得出，同一种建筑结构随着楼层的增大，其发生“鞭梢效应”现象更为明显。3.2受力分析从计算结果中还可以看出，由于建筑结构的底层直接与基础相连，永久荷载和可变荷载从上而下传递到基础，基础直接受到地基的地震作用，所以底层的剪力和弯矩是最大的，结构的顶部虽然水平位移最大(可看成是外部静定，内部超静定的悬臂结构)，但是顶部受到垂直传递的荷载以及地震作用的影响最小，所以其楼层剪力和弯矩随着楼层增大而减小。横向比较模型1和模型2、模型3和模型4，由于剪力墙结构所分配的刚度和质量比框架结构大，导致其每层的地震惯性力比框架结构大，从而其每层的楼层剪力、楼层弯矩比框架结构大。3.3综合分析根据以上位移和受力分析，可以得出随着楼层层数增大，剪力墙体系所发挥出来的抗侧向水平地震作用的优越性越来越明显。此外，上述模型都是沿着建筑结构的侧向布置剪力墙，但是实际设计中，必须考虑结构的抗纵向水平地震作用。相同截面尺寸，数量框架结构的纵向、侧向刚度可以看成相同，但是由于剪力墙截面在x和y方向的惯性矩差异很大，导致其不同方向的抗震刚度也差别很大，所以在剪力墙结构中，除了在建筑结构的侧向布置剪力墙外，还需在其纵向布置剪力墙，以提高结构的综合承载能力、抗震性能和刚度。4结束语所有高层建筑结构设计为剪力墙结构并不一定合理，虽然剪力墙结构的抗侧向水平地震能力很高，但是其混凝土方量、单位体积的钢筋重量比相同高度的框架结构大得多，剪力墙结构施工也需采用滑模等特殊的施工工艺;在实际设计中还需考虑到剪力墙的端柱、暗柱、连梁等构造措施，这也比框架结构的设计、施工复杂。此外，剪力墙结构的基础通常为筏板基础，大体积混凝土施工中必须考虑后浇止水带、温差应力和温度裂缝等。在高层建筑结构设计中，应对其建筑结构层数、建筑抗震设防类别、房屋所处位置、工程造价、施工工艺、施工难易程度、施工工期等进行综合分析和研究。本文作者:陈功 鲜金宏 工作单位:成都纺织高等专科学校
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