高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能研究

为了合理评估高强钢组合K形偏心支撑框架(K-HSS-EBFs)的抗震性能,设计了一个20层K-HSS-EBF结构,选取10条地震记录对其进行增量动力分析(IDA)。探讨了在强震作用下结构的薄弱部位、耗能梁塑性区的形成和发展、耗能梁变形和最大层间位移的关系,得到了结构概率分位值为10%、50%和90%的IDA曲线以及位移延性系数,结合定义的性能参数评估了结构的抗震性能。研究表明:随着峰值地震加速度的增加,各层耗能梁先后进入塑性,并逐渐发展,吸收地震能量;K-HSS-EBFs的易损曲线能很好地反映其抗震性能;按我国规范设计的高强钢组合K形偏心支撑框架偏保守,能承受远大于设防烈度的地震作用,造成结构设计的浪费。     

高强钢组合Y形偏心支撑框架抗震性能混合试验研究

高强钢组合Y形偏心支撑框架作为一种新型结构体系,结合了高强钢承载力高和偏心支撑耗能能力强的优势。为进一步研究高强钢组合Y形偏心支撑框架结构的抗震性能,以一个3层3跨的高强钢组合Y形偏心支撑框架结构为原型,采用子结构混合试验方法进行了一系列试验研究。选取原型结构中底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟,从而建立了试验所需的子结构混合试验模型。根据试验结果,验证了混合试验模型的有效性,并对混合模型的主要抗震性能指标进行了分析。结果表明,在不同地震波作用下,混合试验模型的试验结果与整体结构数值模型的模拟结果吻合较好。在罕遇地震作用下,试验子结构的塑性变形主要产生在消能梁段的腹板位置,而框架的梁柱和支撑保持在弹性范围内,符合结构多道抗震设防的思想。     

基于性能的偏心支撑钢框架抗震设计方法研究

偏心支撑钢框架的理想失效模式为每层耗能连梁均屈服,底层柱脚形成塑性铰,传统设计方法基于强度设计理论,很难保证结构的弹塑性受力状态。该文提出了偏心支撑钢框架基于性能的抗震设计方法(PBSD),该方法以结构的目标侧移和失效模式来预测和控制结构的非弹性变形状态,保证偏心支撑钢框架在大震作用下各层连梁均参与耗能,而其他构件仍保持弹性,即偏心支撑钢框架的层间侧移趋于均匀,避免结构薄弱层的出现,便于偏心支撑钢框架的震后修复。依据PBSD方法分别设计了10层K形和Y形偏心支撑钢框架算例,采用静力推覆分析和非线性时程分析验证该设计方法的合理性,分析结果表明:依据PBSD方法设计的偏心支撑钢框架的极限状态接近于理想整体失效模式,即结构非弹性变形主要集中在耗能连梁中发生,且各层连梁均参与耗能,没有薄弱层出现。该方法为偏心支撑钢框架的工程优化设计提供了参考依据。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能分析

为了合理评估高强钢组合K形偏心支撑框架（K-HSS-EBFs）的抗震性能,首先建立了振动台试验试件的有限元模型,验证了有限元分析方法的适用性。设计了一个10层K-HSS-EBF结构,选取10条地震记录对其进行增量动力分析（IDA）。探讨了在强震作用下结构的薄弱部位、耗能梁塑性区的形成和发展、基底剪力和最大层间位移的关系,得到了结构概率分位值为10%、50%和90%的IDA曲线以及位移延性系数,结合定义的性能参数评估了结构的抗震性能。研究表明:随着地震动峰值加速度的增加,各层耗能梁先后进入塑性,并逐渐发展,吸收地震能量; K-HSS-EBFs的易损曲线能很好地反映其抗震性能;按《建筑抗震设计规范》设计的高强钢组合K形偏心支撑框架偏保守,能承受远大于设防烈度的地震作用,造成结构设计的浪费。     

高强钢组合K形偏心支撑框架抗震性能对比研究

为研究不同强度组合、不同层数高强钢组合K形偏心支撑框架结构(K-HSS-EBFs)的抗震性能,设计了10层、15层和20层三组不同强度组合的K形偏心支撑框架结构算例,选取10条地震记录对其进行动力时程分析,得到各算例在不同水准地震作用下的层间位移角,耗能梁段转角和塑性应变。研究表明:K-HSS-EBFs的层间侧移角沿结构高度分布与普通钢偏心支撑框架结构一致;罕遇地震作用下,K-HSS-EBFs的层间位移角满足抗震规范的限值要求,K-HSS-EBFs具有良好的耗能能力和足够的承载能力;Q690-X承受的地震作用和耗能梁段转角更大,用规范规定的弹塑性层间位移角限值作为控制指标进行设计偏保守;基于性能的抗震设计方法能够保证EBFs在罕遇地震作用下仅耗能梁段进入塑性,其他构件保持弹性,突出耗能梁段在偏心支撑结构中的耗能作用。     

带可更换剪切型耗能梁段高强钢组合框筒的结构影响系数研究

针对传统钢框筒结构耗能能力差和震后修复困难的问题,提出了一种新型钢框筒结构体系-带可更换剪切型耗能梁段的高强钢组合框筒结构（HSS-SFT）。为研究HSS-SFT的结构影响系数,设计了8个具有理想屈服模式的HSS-SFT结构。考虑高阶振型的影响,采用分步侧向力调整法得到结构的性能曲线,基于改进的能力谱法分析了楼层总数和耗能梁段长度对结构影响系数R和位移放大系数C_d的影响。研究结果表明: HSS-SFT在弹塑性阶段,由于内力重分布,结构呈现出较高的超强能力和延性能力;随着结构层数的增加,R呈减小趋势,C_d无显著变化规律,随着耗能梁段长度的增加,R和C_d略微增大;建议HSS-SFT设计地震作用下的R为3.65,结构超强系数R_Ω为2.92,罕遇地震作用下的C_d为7.45,设计基底剪力可比现行抗震规范规定的小震基底剪力降低30%;HSS-SFT可以保证结构在罕遇地震作用下呈现理想的破坏模式,有效地改善传统钢框筒结构耗能能力差和震后修复困难的问题。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能混合试验

为进一步研究混合试验方法的有效性以及高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能,建立了一套基于OpenFresco试验平台的混合试验系统,进行了一个1:2缩尺的3层高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构模型的混合试验。首先通过小工况的预加载研究试验系统的有效性,分析了试验子结构的位移加载精度,作动器加载时差。然后对试件进行正式的混合试验加载,分析了高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构在不同工况下的自振频率、位移反应、水平地震作用、滞回性能以及关键部位应变。结果表明:作动器加载位移峰值与计算位移峰值比较接近,最大相对误差为13.60%,各工况下作动器平均每步的加载时差保持在20 ms左右;随着地震波加速度峰值的增大,模型的自振频率下降,刚度出现了一定的退化。各层的变形主要产生在消能梁段的腹板处,以剪切变形为主。模型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移角分别为1/1068和1/197,符合抗震设计规范对层间侧移角限值。综上,基于OpenFresco试验平台的混合试验系统能够较好的反应结构的地震响应,高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。     

速度脉冲地震和结构偏心耦合效应对结构影响系数的修正

研究结构偏心和速度脉冲强震双重耦合不利对钢筋混凝土框架体系结构影响系数的修正措施。通过理论推导建立该耦合不利效应对结构影响系数的修正方法,给出修正系数计算流程。以最不利的强度偏心框架为对象,分别选取10条速度脉冲型和非速度脉冲型地震加速度记录,开展非线性动力时程分析,量化速度脉冲地震效应、偏心率、结构延性和楼层数对修正系数的影响规律。基于数值分析结果,建立修正系数的拟合关系式。结果表明,速度脉冲地震工况下的修正系数明显大于非速度脉冲工况。修正系数随偏心率增大,先线性增大后非线性急剧增大。偏心较小时,延性对修正系数的影响较小;偏心较大时,修正系数随延性的增大而减小。楼层数对修正系数无明显影响。拟合的修正系数关系式可为抗震设计中综合考虑速度脉冲地震和结构偏心的不利影响提供参考。     

基于自适应POA和IDA的RC框架填充墙结构超强系数分析

结构整体超强系数是结构整体抗震性能系数的重要组成部分。针对不同结构高度严格按照现行设计规范设计了6个高烈度区具有代表性的结构模型,并采用OpenSees分析平台建立有限元模型,同时通过与已有试验结果的对比验证了建模方法的客观准确性。基于自适应POA和IDA得到了设计结构模型的整体超强系数及其变化规律,通过对比分析得出:填充墙对RC框架结构的整体超强系数影响显著,但随着结构高度的增加,填充墙对结构超强系数的影响逐渐减弱。按现行规范设计VIII度设防的结构模型中RC框架结构的超强系数最小值为1.2,考虑填充墙作用的RC框架填充墙结构的超强系数最小值为2.1。分析方法的选择对超强系数分析有重要影响,静力分析方法低估了结构的超强系数。     

带扩孔螺栓连接型消能梁段的Y形偏心支撑结构抗震性能研究

地震作用下,Y形偏心支撑结构需有效增大消能梁段的延性和耗能能力、减小消能梁段的变形,以使其满足"多遇地震、设防地震下无损伤,罕遇地震下损伤较小且震后功能可快速修复"的抗震设防目标。基于短剪切型消能梁段和剪切扩孔型螺栓连接的力学性能,提出一种用于Y形偏心支撑结构中的新型扩孔螺栓连接型消能梁段;采用校正的数值仿真分析法对短剪切型消能梁段、剪切扩孔型螺栓连接、扩孔螺栓连接型消能梁段进行研究,以明确扩孔螺栓连接型消能梁段的力学性能和耗能模式。经对某合理设计的带扩孔螺栓连接型消能梁段的Y形偏心支撑结构分析表明,多遇地震和设防地震下消能梁段无明显变形和损伤,罕遇地震下通过剪切扩孔型螺栓连接和短剪切型消能梁段双重耗能机制,有效提高偏心支撑结构的抗震性能和减小消能梁段的损伤,为偏心支撑结构的抗震设计提供新的思路和方法。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架弹塑性状态的层剪力分布研究

高强钢组合偏心支撑钢框架结构中耗能连梁作为屈服构件采用普通钢（如Q345）,而非耗能构件采用高强度钢材（如Q460）,高强钢构件不仅有效降低了构件截面、节约钢材、降低造价,而且减弱了偏心支撑结构的刚度,使得层剪力分布状态与传统偏心支撑结构不同。为了研究这种新型结构在罕遇地震作用下的弹塑性层剪力分布状态,依据偏心支撑钢框架结构基于性能的设计方法设计了具有理想失效模式的5层、10层、15层和20层算例,并考虑了近场地震速度脉冲效应和远场地震加速度循环累计效应对结构的影响,采用动力时程分析方法计算结构在罕遇地震水准下的响应,根据结构弹塑性层剪力的平均值,提出了与我国规范相一致的弹塑性层剪力分布模式,并对比了已有的层剪力分布模式,该文建议的层剪力分布模式具有更高的精度,可为高强钢组合K形偏心支撑能量设计方法和塑性抗震设计理论提供参考依据。     

基于剪力比的防屈曲支撑-RC框架抗震设计方法研究

该文提出了基于剪力比的防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构抗震设计方法。根据不同的剪力比α设置不同参数的防屈曲支撑并进行了多个不同层数结构的抗震设计;基于大震弹塑性时程分析,研究了不同剪力比结构的最大层间位移角和防屈曲支撑滞回耗能比随剪力比α的关系曲线,并得出剪力比α的合理取值范围为0.3 < α < 0.5。在剪力比合理的取值基础上研究了层间位移角最大值随不同刚度主体框架的变化规律,并建议了主体混凝土框架最大层间位移角的设计取值。该文所提方法简便、实用,为防屈曲支撑耗能减震结构的设计提供了一种新的思路。     

柱增强系数取值对钢筋混凝土抗震框架塑性铰机构的控制效果

以我国《混凝土结构设计规范》规定的8 度区二级抗震等级平面框架为例,采用大小不同的柱弯矩增强系数进行框架设计,利用杆系非弹性动力反应分析程序PL-AFJD 对这些框架进行多波输入下的地震反应分析,识别柱弯矩增强系数取值对框架在强震下形成的塑性铰机构的控制效果,并分析达到不同控制效果的主要原因。研究结果对我国结构设计规范优化柱弯矩增强系数取值有一定参考价值。     

基于地震损失风险钢筋混凝土框架结构弯矩增大系数评估

损失是表征结构性能的综合指标。为了从损失风险的角度评估现行抗震规范钢筋混凝土框架弯矩增大系数的取值,基于地震风险评估框架FEMA P-58,给出了基于结构整体易损性分析的地震损失计算方法。设计了4个弯矩增大系数分别为1.1、1.3、1.5、1.7的钢筋混凝土框架结构,采用增量动力时程分析方法,得出了结构的易损性曲线和易损性矩阵,按照地震烈度概率模型,给出了所在场地各种烈度地震发生的概率,计算了每个结构在50年和1年内的经济损失和人员伤亡损失。结果表明,地震损失风险随强柱弱梁系数增大而减小,50年总经济损失比介于0.08~0.12,人员损伤率介于4.85×10-4~1.12×10-3。按照目前规范取值设计的结构地震损失风险处于可接受范围内。     

关于地震影响系数的讨论

按我国现行建筑抗震设计规范ＧＢＪ１１－８９和上海市建筑抗震设计规程ＤＪＢ０８－９－９２，截面抗震验算的水平地震影响系数最大值６度区取０．０４，７度区取０．０８，与国际通用的地震影响系数最大值定义不同，常易引起误解，且不同的结构以同一折减系数，将导致完全度不一致，更值得注意的是，我国设计规范是以按规范设计的建筑遭受设防烈度的地震影响时结构可能损坏，经一般修理或不需要修理即可使用；当遭受高于本地区设防     

受压和受弯板延性系数和面向抗震设计的钢截面分类

对不同边界条件的均匀受压和受弯矩形板进行了考虑几何和材料非线性、残余应力、初始几何缺陷的非线性分析,得到压力-压缩曲线和弯矩-曲率曲线,确定不同通用宽厚比下板件的延性系数,提出各类板件的延性系数计算公式。根据计算地震力的结构影响系数的大小,提出了面向抗震设计的钢构件截面分类的方法,利用结构延性与截面延性系数的关系和该文得到的截面延性系数的计算公式,以及结构影响系数中是否包含超强系数,分别给出了各类截面板件的宽厚比分界。     

基于速度的显式等效力控制方法的研究

该文采用等效力控制(EFC)来求解在实时子结构试验中的速度差分方程,采用反馈控制取代数学迭代来求解非线性动力方程。谱半径分析表明,由于准确地模拟了速度响应,结合显式Newmark-β算法的等效力控制方法的稳定界限与系统的阻尼系数无关,在不同阻尼比下稳定界限保持为Ω=2,具有良好的数值特性。而直接预测速度的中心差分法和采用线性插值模拟速度的平均加速度等效力控制方法,其稳定界限随着系统阻尼比的增大而降低,对于过阻尼结构(阻尼比大于1),原本无条件稳定的平均加速度等效力控制方法变为条件稳定:对于阻尼比为1.05的动力系统,其稳定界限为Ω=1.45。最后,采用该文方法对安装磁流变(MR)阻尼器的单自由度结构的地震响应进行数值分析,结果表明该文方法能正确跟踪结构速度和位移命令,因而对于速度相关型结构体系,具有良好的适用性和精确性。     

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构基于性能的塑性设计方法研究

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构（YEBF）的耗能梁段采用屈服点较低的钢材,框架梁、柱采用高强度钢材,采用高强钢可有效减小构件截面,节约钢材,降低造价。现行设计规范中偏心支撑结构基于弹性理论进行设计,采用内力放大系数的方法保证结构在罕遇地震下耗能梁段进入塑性,其他构件保持弹性,结构的弹塑性变形可能过于集中而出现薄弱层。该文提出了采用基于性能设计方法（PBPD）设计剪切屈服型耗能梁段YEBF结构（S-YEBF）,以目标位移和理想的整体破坏模式为作为预测和控制结构弹塑性受力状态的性能目标,保证结构在罕遇地震作用下各层耗能梁段均能参与耗能,使结构层间侧移角分布趋于均匀,避免出现薄弱层。根据PBPD方法设计了多层S-YEBF结构,对其1/2缩尺模型进行了振动台试验以评估其抗震性能。通过非线性静力推覆分析和动力时程分析对比了分别采用PBPD方法和传统设计方法设计的10层S-YEBF结构算例的抗震性能。结果表明:采用PBPD方法设计的S-YEBF结构具有良好的抗震性能,结构呈较为理想的整体破坏模式,在罕遇地震作用下,各层耗能梁段均参与耗能,层间侧移角沿结构高度方向分布较均匀;与传统设计相比,PBPD方法设计的S-YEBF结构层间侧移角分布更均匀,并且可节省一定的钢材;PBPD设计方法可以为S-YEBF结构的工程设计提供参考。     

延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响分析

在目前结构抗震设计中,将调幅后的地震动记录作为地震动输入匹配规范谱的方法非常常见;为了分析延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响,通过计算单自由度体系动力时程弹塑性反应,分析了延性系数、调幅因子等因素对等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的影响。经研究分析得出在不同延性系数、调幅因子条件下等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的变化规律:当周期确定时,对地震动记录进行调幅时等延性地震抗力谱谱值变化趋势与调幅因子增减相同,而等延性屈服强度谱不变;延性系数逐渐增大时,等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的谱值会逐渐减小。研究成果解释和阐明了延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响以及复杂的地震作用与结构动力特性之间的关系,可以为结构抗震研究和设计提供依据。     

基于能力需求比的RC框架结构反应修正系数评定

我国现行抗震规范隐含的结构反应修正系数为一个常数R≈3.0,为了评定RC结构反应修正系数的取值是否合理,引入了反应修正系数能力需求比的概念。按我国现行抗震设计规范设计了不同层数、不同设防烈度的17个RC框架结构,基于OpenSees有限元平台,采用Pushover分析方法对结构进行抗倒塌能力进行分析,得到“临界倒塌状态”时的结构反应修正系数能力值;分别采用静力能力谱和动力能力谱分析方法,对结构在罕遇地震作用下的需求进行分析,得到反应修正系数需求值及其变化规律;进而得到反应修正系数能力需求比λ,其值均大于1,结构满足“罕遇地震作用下结构不发生倒塌”这一性能目标,且按VIII度设防设计的结构的反应修正系数较合理,按VII度设防设计的结构的反应修正系数偏于保守,按VI度设防设计的结构的反应修正系数过于保守,VI度设防时结构反应修正系数可以安全提高。