多层中心支撑钢框架结构抗震性能简化评估方法

中心支撑钢框架结构是一种典型的双重抗侧力体系,在强震作用下支撑失效会引发结构承载力和刚度的折减,其复杂的恢复力模型使得此类结构抗震性能的评估成为难点。为解决该问题,提出了多层中心支撑钢框架结构储备体系参数的概念及其计算方法,即通过对中心支撑钢框架结构进行推覆分析,将结构转化为等效单自由度体系,同时确定整体结构体系失效过程,进而确定储备体系和储备参数。结合中心支撑钢框架结构延性需求谱,建立了考虑能力储备的多层结构抗震性能简化评估方法,即"能力储备法",该方法可有效评估中心支撑钢框架结构体系抗倒塌性能、延性与变形。采用该方法分析了2个5层中心支撑钢框架结构的抗震性能,并与非线性时程分析结果进行对比。分析表明,能力储备法可对多层中心支撑钢框架结构层间延性和顶点位移进行较准确的预测。     

钢管空间拱桁架在不同场地条件下弹塑性地震响应对比分析

以跨度150m、矢跨比0.25的钢拱桁架结构体系为研究对象,基于四种场地类别分别建立四种模型,运用SAP2000软件和集中塑性铰理论,进行在地震波作用下的动力弹塑性性能分析.分析中考虑了几何和材料双重非线性影响,分别获得了结构在不同场地类别下的失效承载力、节点位移响应、位移延性系数、塑性发展程度以及结构整体变形形态.结果表明:按多遇地震作用设计,场地由硬变软,用钢量变化很小,按满足罕遇地震下安全工作的性能要求进行设计,用钢量变化较大;在不同地震波作用下,拱桁架多因靠近跨中与拱脚附近的腹杆首先退出工作导致结构失效破坏;不管场地硬或软,结构失效时塑性发展程度均较浅,进入塑性的杆件数量均较少,最终破坏是由"薄弱部位"形成塑性铰区域导致结构成为机构而倒塌;场地由Ⅰ类到Ⅳ类变化时,对应结构失效界限地震波峰值的比值为1∶0.802∶0.766∶0.721.     

大型火电厂钢结构主厂房铰接中心支撑框架体系的振动台试验研究

为获得铰接中心支撑框架结构体系的抗震性能,以位于抗震设防烈度8度区的某大型火电厂钢结构主厂房横向最不利一榀的煤仓间部分为原型,按1∶12缩尺比例设计制作了试验模型,并对其进行了14种地震工况下的模拟地震作用振动台试验。得到了模型结构的动力特性、阻尼比及其在8度多遇、基本和罕遇烈度下的加速度和位移响应等。结果表明:8度多遇地震作用前后结构第1阶频率为4.59Hz,8度罕遇地震作用后,第1阶频率减小为4.40Hz,但梁柱仍然完好,仅有个别支撑和节点板出现了微小的平面外变形。依据试验与有限元分析结果,推算出试验原型结构在三种地震(E l Centro、CholamShandon、人工地震)的多遇烈度以及人工地震的罕遇烈度下,层间位移角均满足我国现行抗震规范要求。该体系在高烈度区也可具有良好的抗震性能。     

基于倒塌安全储备的RC框架延性设计

通过对RC框架结构的震害分析与Pushover分析,基于结构遭遇罕遇地震时承载力安全储备和变形安全储备目标,分别从构件层面和结构层面对RC框架结构的延性抗震设计提出了应对措施与设计思路,为钢筋混凝土结构抗震倒塌的定量设计及计算分析提供了理论依据。     

HPFRC耗能墙-RC框架结构地震易损性分析

采用Perform-3D结构分析软件，选取44条地震动记录，对高性能纤维增强混凝土（HPFRC）耗能墙-钢筋混凝土（RC）框架结构进行基于增量动力分析方法（IDA）的地震易损性分析.结果表明：HPFRC材料良好的受拉应变硬化性能，可以改善结构或构件的耐损伤能力和耗能能力，进而提高整体结构的抗震性能；结构发生倒塌时，由44条地震波计算出的对应于结构基本周期的反应谱加速度平均值大于8度设防烈度对应的罕遇地震作用下结构基本周期所对应的谱加速度值，说明HPFRC耗能墙-RC框架结构具有良好的抗倒塌能力；在8度设防烈度对应的罕遇地震作用下，HPFRC耗能墙-RC框架结构发生倒塌的超越概率为0.03%，满足大震作用下结构的抗震设防要求.     

翼缘框架柱框架结构抗震性能初探

单跨框架结构教学楼在采光和通风等方面有较好优势,在以往中小学建筑中较多采用。单跨结构体系由于冗余度较低,在罕遇地震作用下极易发生破坏,甚至整体倒塌。文章考虑在纯框架结构的柱侧面增加一定长度和宽度的翼墙,形成翼缘框架柱框架结构,以此来改变结构的破坏机制,提高结构的整体抗倒塌能力。借助有限元分析软件Midas/Building,以某中学教学楼为例,对单跨纯框架结构和翼缘框架柱框架结构进行弹塑性分析,评价两种结构的受力性能、屈服破坏机制和整体抗倒塌能力。结果表明:在罕遇地震作用下,翼缘框架柱框架结构能够实现“强柱弱梁”破坏机制,达到改善结构抗震性能和抗倒塌能力的目的,为该类结构在教学楼建筑中的应用提供借鉴。     

基于屈服点谱法的中心支撑钢框架抗震性态评估

屈服点谱(Yield Point Spectra,YPS)是以位移-加速度表述的反应谱形式。YPS可以用于对现有结构进行抗震评估,确定结构在给定地震作用下的峰值位移和延性。本文按照我国设计规范分别设计了6层、9层、12层3个人字形中心支撑钢框架结构,利用YPS对3个结构进行非线性静力分析,得到结构在设防地震和罕遇地震下的峰值位移和层间位移角,并与SAP2000动力时程分析得到的结果进行对比,评估人字形中心支撑钢框架在设防地震和罕遇地震下的抗震性态,评价了YPS方法用于中心支撑钢框架抗震性态评估的可靠性。     

屈曲约束支撑在某会展中心工程中的应用研究

某会展中心采用钢管混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系,主体结构跨度大、层高大且平面不规则.屈曲约束支撑作为耗能构件,分别应用在结构框架及大跨延性桁架两个部分.采用SAP2000软件进行动力弹塑性时程分析,考察罕遇地震作用下结构的性能.计算结果表明:屈曲约束支撑可以显著提高结构的侧向刚度、延性及耗能能力;结构在罕遇地震作用下具有良好的抗震性能,能够满足规范的要求.     

基于多目标性能的高强钢组合K形偏心支撑框架塑性设计方法研究

高强钢组合K形偏心支撑框架结构(K-HSS-EBFs)作为一种典型的双重抗侧力体系，可以实现结构抗震设计中多道设防的目标。针对传统K-HSS-EBFs性能设计方法中无法考虑多水准抗震设防目标以及支撑-框架体系剪力分配的问题，对基于多目标性能的K-HSS-EBFs塑性设计方法进行修正。通过考虑结构后屈服刚度变化得到K-HSS-EBFs的三折线能力曲线，采用能量平衡原理计算支撑-框架体系在不同性能目标下的弹性和弹塑性剪力分配，从而对结构进行弹塑性设计。采用修正的设计方法设计了一个6层的K-HSS-EBFs结构算例，建立OpenSees有限元模型，选取20条地震波对其进行不同强度地震作用下的弹塑性时程分析。结果表明：采用所提设计方法设计的K-HSS-EBFs实现了结构预期的破坏模式以及不同强度地震作用下的位移延性需求和剪力分布模式；从多遇地震到罕遇地震，算例模型中框架跨所承担的基底剪力占比由29%提高到44%,满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中对于多道设防体系内力重分布后的结构总基底剪力分配要求。     

地震作用下损伤RC框架抗竖向倒塌分析

为了研究存在损伤支撑构件的钢筋混凝土框架结构在地震作用下的竖向连续倒塌性能,从美国太平洋地震工程研究中心(PEER)数据库中选取了3条远场地震波、4条近场地震波以及1条人工地震波作为地震输入,利用等效轴力变化模拟损伤柱失效过程,基于OpenSees有限元分析平台,采用时程分析法对中柱在地震作用下逐渐失效的平面框架结构的抗竖向倒塌性能进行了分析。结果表明:在8度罕遇地震(加速度峰值为0.4g,g为重力加速度)作用下,损伤柱快速失效,在相同的失效时间下,竖向加速度峰值与地震波总能量竖向分量能显著增加结构竖向响应,从而加大结构的竖向倒塌风险; 相对于不考虑地震作用时,考虑地震作用的中柱竖向位移峰值和中柱相邻梁端受拉钢筋应变峰值都明显增大; 随着中柱失效时间的增大,动力效应的影响逐渐减弱,地震作用对剩余结构的影响逐渐减小。     

某三维空间刚架结构抗震及稳定性能分析

介绍——采用五边形空间刚架的工程,考虑建筑功能的需要,钢柱沿建筑外围布置并与底层钢筋混凝土框架柱铰接,为了增加结构抗扭刚度和满足层间位移角的要求,在柱间设置支撑.屈曲约束支撑在小震下能够为结构提供适当的侧向刚度,在中震和大震下具有良好的耗能减震性能.阐述了屈曲约束支撑的设计计算方法,并比较分析了屈曲约束支撑在常遇地震、罕遇地震作用下抗震性能以及竖向荷载作用下的稳定承载力.     

Effect of gravity columns on mitigation of drift concentration for braced frames

In strong earthquake events, multi-story concentrically braced steel frames (CBFs) are prone to form a story-collapse mechanism after buckling and yielding of the braces in a story. With the addition of continuous gravity columns and the increased lateral stiffness and strength they provide, however, it becomes possible to reduce the concentration of story drift and prevent the story collapse. Nonlinear dynamic analysis is implemented for a three-story CBF, and it is demonstrated that a drift concentration is inevitable, particularly in the first story, when the CBF is subjected to a set of large ground motions with a probability of exceedance of 2% in 50 years. A simplified theoretical formulation is presented to characterize the effect of gravity columns. Two cases are considered: gravity columns perfectly fixed, and gravity columns pinned at the base. It is noted that significant mitigation of drift concentration can be achieved, particularly when gravity columns are fixed at the base. Nonlinear time-history analysis is further performed to validate the theoretical observations and quantify the stiffness/strength demands of gravity columns to avoid drift concentration. The analysis results support the trends and observations obtained from the theoretical formulation. Finally, numerical simulations are implemented with the seismic force reduction factor Ds, slenderness ratio of braces λ, and number of stories, as major analysis variables. The results demonstrate that a few (e.g. four) fixed-base gravity columns can lead to collapse prevention for reasonably designed low-rise CFBs under the set of large ground motions.     

北京市轨道交通指挥中心（二期）屈曲约束支撑设计及动力弹塑性分析

北京市轨道交通指挥中心项目采用了框架支撑结构体系,其中支撑采用普通支撑与屈曲约束支撑结合的布置方式,采用此种方案既有效改善了结构抗侧刚度及抗震性能,又通过优化组合降低了工程造价。构件试验及结构动力弹塑性分析表明：屈曲约束支撑在设防地震作用下可率先进入屈服状态,主体结构在罕遇地震作用下塑性变形主要发生在底部区域框架柱内型钢处,且整体结构损伤程度在安全范围;结构在罕遇地震下各项性能指标满足规范要求。     

新型人字支撑复合结构的拟动力试验研究

通过对代替黏土砖住宅结构的新型人字支撑复合结构的拟动力试验,以研究该结构的抗震性能。试验设计为1∶2缩尺的单层模型XB,竖向荷载模拟6层结构,输入El Centro波,地震动加速度峰值分别相当于7,8,9度多遇地震波和罕遇7,7.5,8度地震波。试验结果得出,该复合结构开裂、屈服及破坏的地震波分别是8度多遇、7度罕遇、8度罕遇。由试验绘出的刚度退化曲线、恢复力曲线、位移时程曲线均表明,复合结构XB具有较好的抗震性能。支撑顶部的竖向位移说明,复合结构在多遇地震作用下不需考虑竖向位移的影响,仅在支撑屈服后再承担大震时需要考虑其影响。     

防屈曲耗能支撑在铰接混凝土框架抗震加固中的应用

在我国部分地区还存在有铰接混凝土框架结构,这种结构体系在设计时未进行抗震设计,如继续使用,应进行抗震加固以使其满足抗震要求。防屈曲耗能支撑克服了普通钢支撑失稳的缺点,具有明确的屈服位移和屈服力,在多遇地震下可保持弹性状态,为结构提供刚度和抗震承载力。在设防烈度地震和罕遇地震下,防屈曲耗能支撑将屈服耗能,从而为结构提供耗能能力。结合防屈曲耗能支撑的特点,提出在铰接混凝土框架结构中的抗震加固方法,并结合实际工程实例,研究加固后结构的耗能能力。     

北京大兴国际机场航站楼大跨度钢结构整体缩尺模型振动台试验研究

北京大兴国际机场航站楼大跨度曲面钢网格结构超长超大,支承C形柱结构形式新颖受力情况复杂。为此,设计并制作了1/60缩尺模型,通过振动台试验研究其在8度多遇、设防、罕遇地震作用下的动力特性,并分析其在单向、双向、三向地震动情况下的加速度、位移和应变等地震响应。试验结果表明：模型整体结构在三向地震动作用下反应最大,且结构受竖向地震作用影响较大,中心区竖向反应强烈,其余各区域水平地震反应均匀,模型整体性较好,支承结构应变反应受水平地震作用影响较大,具有良好的抗侧刚度;模型在8度多遇地震作用下对应层间位移角为1/639,8度罕遇地震作用下,层间位移角为1/54,满足抗震规范要求,模型在9度罕遇地震作用下没有发生倒塌和明显的破坏,验证了结构原型具有合理的安全储备,满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设计原则,结构设计合理。C形柱结构设计合理,具有良好的支承作用及抗侧刚度。     

拉链柱支撑钢框架结构静力推覆试验及数值模拟

为研究拉链柱支撑钢框架结构在水平荷载作用下的承载能力、抗侧刚度、破坏模式以及构件的传力模式等,对一个3层单跨1:2.6缩尺比例的拉链柱支撑钢框架进行了静力推覆试验及数值模拟。结果表明：在对应8度多遇及设防烈度地震作用工况的水平侧移下,结构基本处于弹性工作状态,构件未出现明显失稳现象。在对应8度罕遇地震作用工况的水平侧移下,由于支撑失稳导致结构抗侧刚度明显降低,但结构的承载力并无明显下降,随着加载的进一步进行,因支撑失稳产生的竖向不平衡力主要由拉链柱承担,且该不平衡力由此逐层向上传递,导致顶层支撑的轴压力逐渐增加;当反向卸载时,拉链柱构件承担部分压力,但并未失稳。总体上,结构各构件的受力状态及传力过程与设计目标基本一致,结构在静力推覆试验中表现出良好的受力性能。     

五层梁柱式胶合木结构振动台试验研究

为研究多层胶合木结构的抗震性能,设计制作了一个1:2缩尺的五层梁柱式胶合木结构模型,并对增设屈曲约束支撑和木支撑前后的结构模型开展了振动台试验。试验结果表明：纯框架模型抗侧刚度过低,在7度多遇地震作用下纵、横向的最大层间位移角分别达到1/145和1/175,不宜在地震区采用;增设支撑后,模型的基频大幅提高、位移响应显著降低,在7度多遇、基本和罕遇地震作用下的层间位移均满足《多高层木结构建筑技术标准》（GB/T 51226-2017）中弹性和弹塑性位移角限值要求;增设木支撑的横向框架在8度罕遇地震作用下,绝大多数木支撑发生断裂破坏,最大层间位移角达到1/11,但结构并未发生倒塌且梁、柱及节点无明显损伤;增设屈曲约束支撑的纵向框架在8度罕遇地震作用下主体结构无明显损伤,仅在支撑连接板处出现了少量局部的平面外屈曲。屈曲约束支撑和木支撑起到了第一道抗震防线的作用,有效保证了胶合木结构主体框架的安全;在合理设计的基础上,梁柱-木支撑和梁柱-屈曲约束支撑的梁柱式胶合木结构体系均可满足8度区抗震设防要求。     

屈曲约束支撑与黏滞阻尼器的减震效果对比研究

以某钢筋混凝土框架结构工程实例为研究对象,选取与场地条件相匹配的地震动作为激励,在SAP2000程序中计算了该结构在多遇和罕遇地震作用下的非线性动力反应,并在框架结构模型中分别设置屈曲约束支撑和黏滞阻尼器。通过试算确定消能减震装置的参数,使得两种消能减震结构在多遇地震作用下的位移减震率均为40%。在此条件下,对比分析了结构的层间位移角、楼层加速度、基底剪力、柱轴力、塑性铰分布和各层阻尼器的工作状态。分析表明：在多遇地震作用下,屈曲约束支撑增大了结构的加速度响应,而黏滞阻尼器能够减小结构的加速度响应;在罕遇地震作用下,二者均能有效控制楼层的加速度响应,而屈曲约束支撑的位移减震效果更好,但黏滞阻尼器对框架柱内力的减少效果更为显著。