高层斜交网格筒-核心筒结构抗震性能分析

摘　要：斜交网格筒新型结构体系具有较大的抗侧刚度,为建造高层、超高层结构提供了有利条件,目前已在国内外有多例成功实践,但相关抗震性能研究还很少。采用Perform-3D程序对典型钢管混凝土斜交网格筒-钢筋混凝土内筒结构进行了静力弹塑性分析。总结了体系塑性发展过程及构件屈服顺序,给出了斜交网格筒屈服路径,并从斜交网格筒作用力的变化阐述了内外筒间内力重分配的原因,明确了内外筒内力分配特点。基于内外筒抗侧刚度的发展过程,探讨了结构抗侧刚度退化的主要原因。     

钢管混凝土斜交网格筒结构抗震性能研究

采用PERFORM-3D对钢管混凝土斜交网格筒结构进行静力弹塑性和动力弹塑性时程分析。分析该结构的屈服路径、侧向位移及层间位移角、剪力滞后效应、斜柱损伤及损伤分布模式。结果表明:钢管混凝土斜交网格筒结构传力途径明确,具有较大的抗侧刚度和较好的空间工作性能,且主次节点可以有效地平衡各斜柱内力差,使节点层变形小于其它非节点层;斜交网格筒结构的剪力滞比沿楼层高度由正剪力滞比转变为负剪力滞比,且随着结构的塑性发展,结构首次出现负剪力滞后的位置有所下降;不同类型地震波及不同加速度幅值对斜柱层损伤值影响较大,而对斜柱层损分布模式影响较小。     

钢管混凝土斜交网格筒结构地震能量反应分析

结合所建立的钢管混凝土柱的轴向恢复力模型对斜交网格筒结构进行了弹塑性时程分析，研究了结构中各能量项的分配规律，从结构-构件-楼层3个层面，依次分析了滞回耗能的分配规律，并探讨了结构动力特性和地震动参数对滞回耗能分布的影响。研究表明：结构主要依靠阻尼耗能和滞回耗能平衡地震输入的能量；斜柱和连梁是斜交网格筒结构的主要耗能构件；斜柱的滞回耗能随楼层增高递减且在模块相接处有明显突变，设计时此处应避免出现较大的刚度突变。研究从能量的角度揭示了斜交网格筒结构的损伤模式和耗能机制，为建立此类结构的地震损伤评估方法提供了参考。     

高层斜交网格筒结构最小势能法简化计算研究

高层斜交网格筒结构是由交叉布置的斜柱和水平环梁组成的筒体结构,斜柱主要承受轴力作用。通过等效刚度的方法,将高层斜交网格筒结构等效为各向异性板壳模型,用最小势能原理求出等效模型的位移场闭合解。研究结果表明:高层斜交网格筒等效连续化方法求解结构侧移分布精度较高,同时可以得到结构的内力分布;该类结构是弯曲型和剪切型变形的叠加;该类结构具有明显的剪力滞效应;通过等效简化方法可以将三维筒体结构转化为具有等刚度、且不改变内力分布的平面模型。提出的等效连续化简化方法可为高层斜交网格筒体结构进一步研究提供理论参考。     

框架-密肋复合墙结构剪力分担率计算方法研究

密肋复合墙体具有独特的结构构造形式,其刚度可按不同抗震设防要求进行调整,并可满足复杂建筑形式的要求。该文以框架-剪力墙结构为依据,对框架-密肋复合墙结构协同工作机制及剪力分担率计算方法进行较为系统的研究。基于Timoshenko梁基本理论,将框架-密肋复合墙结构视为由剪切型悬臂框架、弯剪型悬臂梁组成的双重抗侧力体系,采用连续化方法建立框架-密肋复合墙结构的位移微分方程,推导出了计入复合墙剪切变形的水平位移解析表达式和内力计算公式。根据前期试验获得的墙体模型低周反复荷载试验数据,拟合得出密肋复合墙体指数式刚度退化模型,量化了墙体在各变形阶段的刚度退化系数。在此基础上提出不同变形阶段框架-密肋复合墙结构剪力分担率的实用计算方法,并通过算例验证了复合墙刚度退化对结构内力分配的影响程度。     

梁柱退化和剪力比对自定心BRB双重体系抗震性能的影响

自定心屈曲约束支撑(SC-BRB)双重体系由抗弯框架和SC-BRB框架组成。分别采用考虑梁柱退化和不考虑梁柱退化两种建模方式建立不同剪力比(抗弯框架部分承担剪力与设计基底剪力之比)的SC-BRB双重体系的分析模型,并通过非线性静力分析和动力时程分析研究了梁柱退化和剪力比对SC-BRB双重体系抗震性能的影响,结果表明:考虑梁柱退化会减小结构的基底剪力,减弱相邻楼层侧向刚度突变的影响,并可能改变最大层间位移角沿结构高度的分布,但会引起结构残余变形的增大;而剪力比的增大会提高梁柱退化的影响,并使结构整体的旗帜形滞回特征减弱,但能有效减小地震时结构的最大层间位移角和变形集中效应。     

基于整体稳定的斜交网格筒结构失效判别指标研究

高层建筑结构失效演化过程的量化分析是实现基于性能抗震设计方法的关键步骤之一,为了得到斜交网格筒结构体系基于整体稳定的失效判别方法,基于连续化方法的体系变形分析,给出了斜交网格筒结构体系的初始等效抗侧刚度求解方法,并对体系的变形形态进行了探讨;通过整体稳定平衡分析得到斜交网格筒结构体系瞬时等效刚重比与结构响应的关系,并提出了基于瞬时等效刚重比变化的失效判别方法;通过对结构进行20条地震波罕遇地震作用下的弹塑性时程分析及斜交网格筒子结构模型试验,验证了该方法的正确性。     

高层钢框架结构基于性能的塑性设计方法研究

在罕遇地震作用下,根据现行规范设计的高层钢框架结构会经历较大的非弹性变形,其非弹性性能在一定程度上难以预测和控制。根据功能平衡原理,该文提出了一种高层钢框架结构基于性能的塑性设计方法。预先选定目标侧移和屈服机制作为结构两个关键的性能极限状态。根据能量相等原则,即使结构单调达到目标侧移所需作的功等于等效弹塑性单自由度体系达到相同状态所需要的能量,来计算给定的地震水准下的设计基底剪力。采用塑性设计法设计框架构件和节点以便达到预期的屈服机制和性能。采用此方法对一幢10层钢框架结构进行了设计,然后采用动力时程分析法和静力非线性分析法验证了该方法的可行性,为高层钢框架结构基于性能的塑性抗震设计法提供了一定的依据。     

基于试验的斜交网格-核心筒结构概率地震易损性分析

利用外部网状斜交框架和内部钢筋混凝土核心筒,斜交网格-核心筒结构形成具有较强抗侧刚度的筒中筒结构形式,被广泛应用于超高层建筑结构。采用模拟地震振动台试验获得不同地震动水准下模型结构的地震动响应结果。在结构抗震可靠度的经验和计算分析方法基础上,分析不同水准下结构发生各级破坏的概率,研究斜交网格-核心筒结构体系的整体抗震性能。最后,由振动台试验结果显示斜交网格结构构件的截面尺寸改变所在楼层的斜柱先于底部楼层的斜柱发生破坏。提出基于模型结构的振动台试验的概率地震易损性分析方法,对不同地震设防水准下原型结构的破坏概率进行研究,获得斜交网格-核心筒原型结构的概率地震易损性水平。     

框支剪力墙结构楼层侧向刚度比值初探

针对现行规范关于框支剪力墙结构设计中楼层侧向刚度控制准则的局限性,从理想化悬臂杆件的抗侧刚度和变形出发,提出高层建筑转换层结构底部刚度的需求应使结构的变形与理想化悬臂杆件的变形接近;通过经典力学原理推导出上述理想杆件变形曲线,并以此曲线为基准,得出符合此曲线的结构层间位移角,以工程界所熟悉的层间位移角比值作为控制参数反映高层建筑转换层结构的楼层侧向刚度比。进行一系列按不同的楼层刚度控制准则下的典型框支剪力墙结构在地震作用下的弹性及弹塑性性能分析,通过对转换层结构的动力响应和屈服机制进行比较,初步证明该文所提出的楼层侧向刚度控制准则较现行规范更趋合理,可供工程借鉴。     

铰支桁架-框架结构抗震设计与性能研究

合理设计的框架会因为地震力分布不均匀致使框架的部分楼层梁率先屈服,导致结构层间位移角不均匀系数（DCF）增加,很难出现所有楼层梁端和柱底出铰的完全梁铰机制。为改善普通钢框架层间集中损伤和侧向刚度偏小问题,提出在框架中设置拉链柱和斜撑,形成铰支桁架-框架,控制框架侧向位移大小和分布。推导了框架弹性DCF值,并以此作为铰支桁架-框架的DCF目标值,进而提出了铰支桁架与框架的合理刚度比;给出了基于DCF抗震设计流程,设计算例达到了预期的位移和DCF性能目标。对比了框架、摇摆墙框架和铰支桁架-框架的抗震性能,结果表明:铰支桁架可以提高框架的抗侧刚度,使框架的塑性铰分布模式由不完全梁铰机制转变为完全梁铰机制,使框架层间位移角及剪力分布均匀;相比于摇摆墙框架,铰支桁架-框架具有较大的侧向刚度和相近的侧向变形模式。     

唐代殿堂型木构架柱架摇摆抗侧机理研究

唐代殿堂型木结构建筑是我国古建筑遗存中弥足珍贵的文物,其建造年代久远,数量稀少,结构形制特殊且极富时代特征,具有极其重要的历史文化与科学研究价值。其木构架由三个水平结构层——柱网层、铺作层和屋架层自下而上通过榫卯连接叠垒而成。为深入研究此类型木构架的抗侧性能,建立了某唐代殿堂型木结构一榀构架的精细化有限元足尺实体模型,并进行了水平低周反复加载模拟,系统研究了木构架的变形特点、破坏形态、滞回特性、抗侧刚度及耗能特征。结果表明在水平往复荷载作用下,殿堂型木构架的主要变形特征为柱脚无滑移偏转抬升,柱架摇摆并带动整体结构协同抬升摆动,铺作层如同刚体抬升平移,剪切变形不明显;主要破坏形式为栌斗全截面压溃和柱脚边缘压屈;构架滞回曲线呈"S"形,具有显著捏拢效应,两端较为饱满。木构架初始抗侧刚度较大,屈服后刚度退化显著,主要通过柱脚节点和柱头-栌斗节点的塑性变形、构件接触面的摩擦滑移、结构整体转动抬升摆动耗能,具有较好的抗震性能。     

底部铰支自复位钢筋混凝土剪力墙设计与性能研究

为克服传统钢筋混凝土剪力墙在遭受较大地震时易发生墙脚压溃形成塑性铰等问题，减小结构残余位移，提出一种底部铰支自复位钢筋混凝土剪力墙。通过将传统剪力墙破坏严重的底部进行替换，上部墙板通过V型连接梁与基础铰接，两侧墙脚位置处布置具有双线性滞回特性的复位支撑，将墙板传递的内力解构，弯矩由复位支撑单独承受，在墙体底部形成弹性旋转约束的方式，实现了剪力墙较大弹性侧移，从而降低墙体损伤和残余位移。数值模拟分析了普通钢筋混凝土剪力墙（SW）和相同截面的自复位钢筋混凝土剪力墙（SC-SW）在低周往复荷载下的承载能力、耗能能力、变形能力及损伤分布。结果表明:SC-SW通过合理设计可达到与SW相同初始刚度和承载力，同时延性提高了26.52%；损伤水平明显小于SW，避免了以墙体塑性受损而吸收能量的耗能方式；残余位移明显减少，复位效果较好。     

高层建筑结构嵌固条件影响研究

该文对国内外考虑地下室及周边土体对高层建筑地震作用影响分析方面的研究进展进行了回顾,基于塔楼、地下室结构与周边土体的相互作用机理,建立可以考虑地基基础影响的力学模型。根据场地情况确定地下室周边土体弹簧及相应阻尼的计算参数。考察地下室顶板嵌固、地下室周边嵌固、底板嵌固以及土体-结构相互作用等4类嵌固条件在地震作用下计算结果的合理性,并研究塔楼单侧洞口长度对整体结构与结构构件受力性能的影响。分析结果表明:地下室顶板嵌固模型塔楼侧向刚度偏大,且无法考虑地下室与塔楼之间的相互影响。地下室周边嵌固模型无法反映地下室结构的变形与质量引起的惯性力,在地震作用下水平剪力沿地下室竖向减小过快,计算结果偏于不安全。底板嵌固模型忽略周边土体的作用,导致地下室在地震作用下水平剪力过大,计算结果过于保守。土体-结构相互作用模型可以较为真实地模拟地下室周边土体的刚度与阻尼,与其他计算模型相比,虽然塔楼性能变化较小,但地下室构件内力变化很大。单侧洞口对塔楼整体受力性能影响较小,但对框架柱和楼板的影响值得重视。     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计

两边连接屈曲约束钢板剪力墙具有承载力高、耗能能力强、延性好等优点;而且在结构中布置灵活,能够减小对框架柱的作用力,避免框架柱过早发生破坏.为确定墙体在结构中的布置方式以使结构抗震性能充分发挥,提出了钢板剪力墙-RC框架结构基于能量平衡的大震塑性设计方法.设定结构预期的整体破坏模式和目标位移,基于能量平衡原理计算结构的设...     

装配式自复位钢框架-开缝钢板剪力墙结构试验研究

提出了一种新型带有开缝钢板剪力墙的装配式自复位钢框架结构,设计并完成该结构在低周往复荷载作用下的拟静力试验,研究其刚度、耗能性能、破坏模式以及复位能力。结果表明:该结构具有良好的开口闭合机制,震后自复位并通过更换钢板墙快速恢复主体结构功能。结构初始刚度高,耗能能力优。在水平荷载作用下,钢板剪力墙进入屈曲耗能,有效地保护框架主体结构。在达到规范规定弹塑性层间位移角限值1/50时试验结束,自复位钢框架基本处于弹性状态,残余开口较小,且试验过程中最大索力远小于屈服索力,为该结构能够承受更大的地震作用提供良好基础。     

内嵌屈曲约束钢板剪力墙钢框架的性能参量及计算方法

钢框架延性好,但抗侧承载力和刚度较小,一般可加设钢板墙等抗侧力构件来达到结构的抗侧需求。屈曲约束钢板剪力墙是一种新型抗侧力构件,通过面外约束板的限制,钢板墙在剪力下不会发生屈曲破坏,因此其抗侧刚度、承载力和延性均较大。屈曲约束钢板剪力墙钢框架不但大大提高了原框架的刚度和承载力,同时还具备良好的延性。考虑到加设钢板墙后,框架梁的抗剪刚度与承载力可能不足,该文选取研究的屈曲约束钢板墙除了上下端与框架梁连接外,部分还与框架柱连接。对于这种新型内嵌屈曲约束钢板墙钢框架,该文从理论上详细推导了结构的抗侧刚度、屈服承载力等力学性能参量计算方法,得到了相应的理论公式。通过相关文献的试验数据对比,发现理论计算值与试验值很接近。