巨型钢支撑框筒结构抗震性能分析

某超限高层建筑总高346.7m,高度超限,外立面沿高度逐渐收进后又逐渐外挑,建筑概念独特,采用巨型钢支撑框筒+腰桁架形式。依次对其进行设防烈度为7度、超烈度7.5度以及8度罕遇地震输入,研究整体结构的变形、加速度放大系数、楼层剪重比和抗侧力构件的塑性状态等抗震性能。结果表明,在7度罕遇地震作用下,结构基本处于弹性工作状态,能满足整体结构大震不倒的抗震性能要求;超烈度7.5度罕遇地震下,局部构件出现塑性,表现出一定的延性耗能特征;8度罕遇地震作用下,楼层加速度放大系数减小、楼层剪重比减小、局部支撑构件进入塑性屈服阶段,结构进入良好的屈服耗能状态。     

竖向收进钢束筒结构楼层地震损伤评估研究

为定量评估钢束筒结构地震后楼层的损伤情况,基于算例分析模型,采用有限元分析软件对两类不同竖向收进方式的3种钢束筒结构进行大震弹塑性时程分析。通过楼层的变形与能量分析,基于归一化的位移和塑性耗能双参数破坏模型,研究给出确定钢束筒结构地震下楼层损伤程度指标——楼层损伤因子计算公式,通过计算得到的楼层损伤程度与基于损伤现象确定的楼层损伤程度基本吻合,该计算公式可用于成束钢框筒结构楼层地震损伤程度的定量评估。钢束筒结构楼层通过灰色关联-逐步分析耦合模型评估的地震损伤程度与基于损伤现象确定的地震损伤程度一致,表明基于灰色关联-逐步分析耦合模型的楼层损伤程度评估方法可以准确地对楼层的地震损伤情况进行评估。     

钢框束筒结构剪力滞后分析与楼层损伤评估

为研究钢框束筒结构中的剪力滞后现象及其对结构设计的影响,分析结构在罕遇地震作用下耗能及楼层损伤情况,建立了有限元分析模型,对结构进行风荷载和多遇地震作用下的弹性分析以及罕遇地震作用下弹塑性时程反应分析。对剪力滞后沿楼层的分布特点以及窗裙梁截面高度变化对束筒结构剪力滞后的影响进行了分析,研究了剪力滞后与楼层损伤之间的关系。通过对楼层的最大有害层间位移角和塑性耗能分析,研究了楼层损伤因子的计算方法,并对楼层的损伤程度进行了定量评估。分析结果表明:钢框束筒结构下部高度1/3范围内为剪力传递敏感区域,仅在该区域加大窗裙梁截面可以得到与全高加大窗裙梁截面接近的空间作用效果。结构剪力滞改善后,应避免局部区域出现应力突变,产生新的更为严重剪力滞后现象。楼层柱应力不均匀系数代表值与楼层塑性耗能在竖向收进局部区段具有相似的分布规律。采用基于归一化的位移和塑性耗能双参数模型算式得到的楼层损伤因子与通过损伤现象确定的楼层损伤因子吻合较好,可用于钢框束筒结构楼层损伤程度的定量评估。     

含可更换剪切型耗能梁段的组合钢框筒截面尺寸预估方法探究

含可更换剪切型耗能梁段组合钢框筒可克服传统钢框筒延性差和震后修复困难的缺点,有助于其在较高烈度区的应用。高层钢框筒用轴压比和等效实膜筒法确定的构件截面尺寸较粗糙,需反复试算和调整。为方便所提出的组合钢框筒结构的初步设计和抗震性能研究,给出了该新型结构各构件截面尺寸的预估方法,并通过组合钢框筒算例利用双向地震弹塑性时程分析方法验证了所提出预估方法的有效性;同时比较了罕遇地震下钢框筒与组合钢框筒的层间位移角、楼层位移、基底剪力、剪力滞后效应、塑性铰分布。研究表明:所给出的构件尺寸预估方法具有较好的效果,能够实现罕遇地震下塑性变形集中于耗能梁段,便于震后修复和功能恢复;罕遇地震下,相对传统钢框筒,组合钢框筒的各楼层的弹塑性层间位移角、楼层位移均明显减小,且其水平主向的基底剪力峰值明显减小,具有良好的减震效果,此外其角柱的轴力绝对值明显降低,减小了剪力滞后效应。     

结构大震弹塑性时程分析中的能量反应分析

采用ABAQUS对23个钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构分析模型进行了大震弹塑性时程分析,分析模型变量为楼层总高度、地震波及地震波峰值加速度。通过对23个分析模型中得到的各种能量项数值的统计与分析,结合现行规范中结构损伤程度的评估标准,对输入能与地震加速度及结构损伤程度的关系、不同结构损伤程度下塑性耗能在构件中的分配、阻尼耗能比例和塑性耗能比例与结构损伤程度的关系进行了研究。研究成果为能量法在结构地震反应中的应用及钢管混凝土框架-核心筒结构体系的设计提供参考。     

含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构抗震性能研究

地震作用下,传统钢框筒结构难以实现强柱弱梁的设计理念,大震下柱端往往先于梁端出现塑性铰。针对这一问题提出了含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构,即在裙梁中设置可更换的剪切型耗能梁段,大震作用下结构利用剪切型耗能梁段良好的弹塑性变形能力进行耗能,其余构件仍处于弹性状态或部分发展塑性。设计了一组算例结构,包括传统钢框筒结构和含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构,采用SAP2000有限元分析软件对算例结构进行了弹性和弹塑性地震反应分析,对比了传统钢框筒结构和不同耗能梁段布置形式的含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构在多遇地震、罕遇地震和极罕遇地震作用下的抗震性能和破坏模式。结果表明:在裙梁中设置剪切型耗能梁段对结构整体刚度的影响较小,含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构改变了传统钢框筒结构的耗能机制,主要通过耗能梁段的剪切变形代替裙梁端部塑性铰耗能。罕遇地震作用下耗能梁段全部进入塑性耗能,震后仅需替换损伤严重的耗能梁段即可快速恢复结构的使用功能。极罕遇地震作用下,传统钢框筒结构达到极限状态,而含可更换剪切型耗能梁段的钢框筒结构的耗能梁段进一步发展塑性,其余构件保持弹性,结构具有足够的安全储备。     

钢混框剪高层结构地震能量分布及耗散研究

为了研究复杂建筑结构在地震作用下地震能量的分配与耗散机制,基于能量平衡原理和Perform 3D软件对钢筋混凝土框架 剪力墙高层结构模型进行了动力弹塑性能量时程分析,得到了框剪高层结构在罕遇地震作用下地震能量的输入、分布及耗散规律;考察了地震动特性对钢混框剪高层结构地震能量输入及分配的影响,确定了地震耗能占输入能的比例时程;分析了结构阻尼比和结构延性对框剪高层结构地震输入能、阻尼耗能和滞回耗能及其耗能比例的影响规律,确定了阻尼比对滞回耗能和延性比对阻尼耗能的交互影响;研究了框剪高层结构地震滞回耗能沿结构竖向分布和沿横向构件内部分配的规律,确定了竖向刚度分布对结构地震滞回耗能的影响;揭示了钢混框剪高层结构地震输入能量及其分布规律。所得结论可为基于能量平衡原理的抗震设计理论在复杂钢筋混凝土高层建筑结构实际工程中的运用提供参考。     

含不等高箱梁异型节点大型火电主厂房钢框排架结构拟动力试验研究

为研究大型火电厂含异型节点钢框排架主厂房的抗震性能,对缩尺比为1∶10的1 000 MW级火电主厂房钢框排架模型结构进行拟动力试验。输入El Centro波、Taft波和兰州地震波,地震动加速度峰值分别相当于8度多遇地震和7.5、8度设防烈度地震和8、9度罕遇地震,实测了模型结构的应变分布、加速度反应和位移反应。分析了模型结构的滞回特性、加速度放大系数、位移时程曲线以及塑性铰分布。结果表明:含异型节点火电钢框排架主厂房结构总体具有较好的抗震性能,能满足规范"大震不倒"的要求,但由于异型节点处煤斗梁刚度较大且该处承受较大的竖向荷载(煤斗及储煤质量),导致其层间位移分布与无刚度或质量突变的常规钢框架规律不同;异型节点处存在着明显的"强梁弱柱"现象,该类节点大梁底面柱端易产生塑性铰,不利于耗能和抗震。     

竖向地震作用对框架结构动力响应影响分析

对甘肃省某六层钢筋混凝土框架结构分别在双、三向地震动输入下进行非线性时程分析,取两种工况下结构顶层位移时程、速度时程、加速度时程、层剪力,各层柱底轴力进行对比分析。结果表明:竖向地震动对UD方向位移时程、速度时程和加速度时程影响显著;竖向地震动对各楼层层剪力和柱底轴力有一定影响,其中,对下部楼层层剪力的影响大于上部楼层,对上部楼层柱底轴力的影响大于下部楼层。     

高层斜交网格-RC核心筒结构地震反应能量分析

选用一定数量的地震波,采用PERFORM-3D有限元分析软件对5个不同结构特性的高层斜交网格-RC核心筒结构进行弹塑性时程分析,分析了此类结构在水平地震作用下总输入能在各能量项的分配规律;结构滞回耗能与结构参数以及地震动参数的关系;以及滞回耗能在构件和层间的分布规律。研究表明:结构滞回耗能和阻尼耗能为结构输入能量的主要耗散形式;不同地震波类型对结构滞回耗能影响较大;结构等效刚度比对结构总滞回耗能影响较小,然而对滞回耗能在各构件中的分配规律影响较大;结构滞回耗能主要为斜柱和连梁的塑性耗能,斜柱和连梁为关键耗能构件;斜柱及剪力墙耗能主要集中在底部楼层,而连梁耗能分布范围较广。     

罕遇地震作用下框架-核心筒结构弹塑性反应分析

采用有限元软件进行单向、双向罕遇地震作用下框架-核心筒结构弹塑性时程分析,通过单向、双向罕遇地震作用下结构响应对比,分析了双向罕遇地震作用对结构顶点位移、层间位移角、楼层相对扭转角及相对加速度的影响;通过改变地震波输入角度,考察了其对结构响应的影响。结果表明:单向、双向罕遇地震作用下的结构层间位移角曲线较为相似,但是双向罕遇地震作用下的结构层间位移角明显较单向作用下的大;地震动特性对楼层扭转角的影响较为显著,一般相对扭转角最大值均出现在结构的顶层;楼层响应相对加速度最大值一般出现在结构底部1/5~3/5结构高度内或结构的顶部;地震波输入角度对结构响应的影响较大。     

某钢筋混凝土剪力墙结构隔震设计及耗能分析

本文详细介绍了某钢筋混凝土剪力墙结构的隔震设计过程及耗能情况。该结构隔震层设置于地下室顶板与首层之间,共布置了18个天然橡胶隔震支座和40个铅芯橡胶隔震支座;采用ETABS有限元软件建立非隔震结构与隔震结构两个计算模型,分析比较了结构隔震前后的动力特性和隔震效果,并对隔震结构进行了罕遇地震作用验算和抗风承载力验算,最后分析了隔震结构罕遇地震下结构耗能与加速度响应。分析结果表明,结构隔震层能够很好吸收地震能量,大大减小地震输入能量往上部传递,显著降低了上部结构的地震作用和加速度响应,从而大幅度提高了结构的安全性和舒适性。     

C100高强混凝土框架-核心筒消能减震结构抗震性能研究

我国现行建筑抗震设计规范中要求结构（构件）在满足承载力的同时,需具备足够的变形能力,但是由于高强材料在延性上的不足,高强混凝土结构构件可能无法同时满足以上要求。为充分发挥高强混凝土竖向构件承载力,基于设置消能减震装置集中耗能降低结构地震响应的方法,对7度设防区C100高强混凝土框架-核心筒消能减震结构抗震性能进行研究。结果表明：在罕遇地震作用下,C100高强混凝土框架-核心筒结构竖向构件基本保持在弹性工作状态,消能减震技术可有效降低地震作用,保证结构的抗震安全;通过不同消能减震方案对比分析得到,在加强层以及结构剪切变形较明显的楼层布置合理数量的黏滞阻尼器减震效果最好。     

全直桩与斜桩高桩码头结构地震动力损伤对比研究

为探究斜桩与全直桩高桩码头结构受强地震作用的损伤特点,以一典型钢管高桩码头为研究对象,并以同一建设场地为背景,在相同服役条件及地质条件下,分别建立斜桩与全直桩高桩码头结构的有限元解析模型,进行结构体系的数值模拟仿真。通过桩体截面弯矩-轴力关系曲线,分析了全直桩码头、斜桩码头两种不同结构形式受不同水平地震作用下的动力响应特性及损伤特点,为高桩码头结构的设计与选型提供合理的依据和参照。研究结果表明,在斜桩结构的内力中,斜桩的轴力起主要支配作用,可有效分担地震的作用力,在输入地震动为350 gal时,考虑到结构的水平位移满足设计要求等因素,斜桩结构在抗震性能方面要稍优于直桩结构,在输入地震动为1 000 gal时,两种结构均发生了塑性破坏,通过塑性损伤开展以及对于地震能量的吸收与耗散的对比分析,得到全直桩结构具有优于斜桩结构的抗震性能的结论。     

单自由度体系非线性地震能量反应的计算

随着结构抗震理论的深入研究,目前对结构地震破坏比较一致的看法：基于最大位移反应首次超越和塑性累积损伤的双重破坏准则比较符合震害和试验实际.采用能量耗散来描述结构的塑性累积损伤,其形式简单、计算方便,又能够较好地反映地震动的强度、频谱特性,特别是强震持续时间对结构破坏的综合影响.建立了单自由度体系在地震作用下的能量反应公式,通过对结构地震反应能量的计算,综合考虑地震动三要素和结构自身动力特性,分析了地震总输入能受各种因素影响的变化规律及地震总输入能在滞回耗能和阻尼耗能之间分配受各因素影响的变化规律.     

Energy dissipation of tall core‐wall structures with multi‐plastic hinges subjected to forward directivity near‐fault and far‐fault earthquakes

In this study, different energy components in the tall reinforced concrete core‐wall buildings with numerous plastic hinges over the height are investigated using nonlinear time history analysis. The effect of near‐fault and far‐fault earthquakes is compared. The idea of one‐plastic, two‐plastic, three‐plastic and whole‐plastic hinge approaches along the core wall is examined. The input energy, inelastic, damping, kinetic and elastic strain energy during the earthquakes are studied. The results show that a large energy quantity transfers to the structure at the arrival time of the near‐fault motion pulse. Inelastic energy distribution over the height shows a considerable amount of inelastic energy dissipation occurring at the base and above the mid‐height of the walls. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢-混凝土组合空间框架拟动力有限元分析

基于混凝土的塑性-损伤本构模型与钢材的弹塑性混合强化本构模型,采用ABAQUS有限元分析软件,对圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土框架梁2层空间框架的三维实体精细有限元模型进行拟动力分析。模型中考虑了钢管与核心混凝土的约束作用以及连续地震作用下引起的塑性耗能累积效应。对钢管混凝土柱轴压比、钢管横向变形系数以及各关键点的钢管与核心混凝土、框架梁、环梁与楼板中的钢筋和混凝土的应力-应变滞回曲线以及框架结构的塑性耗能分布情况进行分析。结果表明：连续工况地震作用使框架结构产生塑性耗能累积效应,进而使楼层的位移响应明显增大,层间刚度减小;连续工况地震作用后,钢管和所有钢筋都屈服,钢管、环梁钢筋的约束作用使核心混凝土、环梁混凝土强度超过其轴心抗压强度,楼板混凝土因受拉而开裂;短边柱的轴压比有明显波动,罕遇地震作用下其值大于角柱、中柱和长边柱的轴压比;钢管混凝土柱为主要的塑性耗能构件,环梁次之。     

Acceleration demand of the outer‐skin curtain wall system of the Shanghai Tower

The unique complexities of the outer‐skin curtain wall (CW) system of the Shanghai Tower increase the difficulty in evaluating its seismic performance. To assess such seismic performance, it is important to understand the floor acceleration demand under expected earthquake actions. Acceleration demand of the CW system consists of floor acceleration amplification (FAA) and floor response spectrum (FRS), which are closely related to the equivalent static seismic design force and the dynamic properties of the CW system. For estimating the FAA and FRS, code spectra compatible ground motions are selected and input to a finite element model of the building structure. The floor responses of key stories are analyzed. Normalized distribution of the horizontal FAA demand is estimated and shows that the obtained values exceed those proposed by current code provisions for low‐intensity earthquake excitations. It is noted that the vertical FAA demand has a different distribution profile than the horizontal one. The results indicate that FAA demand under three‐dimensional earthquake excitation is larger than that for 1D excitation. Moreover, the prime period range is up to 4.0 s for the horizontal FRS and up to 1.0 s for the vertical FRS. Horizontal and vertical FRS is proposed for dynamic analysis of the outer‐skin CW system of the Shanghai Tower.     

错层板柱结构体系振动台试验与分析

为研究错层板柱结构的抗震性能,对一个缩尺比例为1:7的结构模型进行了振动台试验。试验选取2条天然波和1条人工波,对结构模型的自振频率、结构阻尼比、楼层加速度、楼层位移、构件的应变和楼层剪力进行分析,研究了在不同烈度地震作用下错层板柱结构损伤的发展情况及最终的破坏形态。结果表明:在地震作用下,错层板柱结构柱端和梁端出现裂缝,且随着地震烈度的不断增加,裂缝继续发展,直至柱端出现塑性铰,最终在8度罕遇地震工况下结构发生了整体倒塌; 错层部位的框架柱受力最为复杂,且应变水平较高,在试验过程中破坏最为严重; 随着输入的地震加速度持续增加,主体结构的损伤不断累积,结构自振频率不断降低,结构阻尼比呈增大的趋势; 地震烈度不同时,错层板柱结构加速度响应的峰值沿楼层分布规律差别较大,且随着地震烈度的增加,结构动力放大系数有降低的趋势; 错层板柱结构抗侧刚度较小,在较低烈度的地震作用下结构层间位移角已经不能满足规范要求; 建议在高烈度区域尽量避免采用错层板柱结构。     

基于能量指标的高层钢结构动力弹塑性抗震能力研究

能量参数作为结构抗震性能的重要指标,因结构滞回耗能和损伤机理的复杂性而较少被研究或仅对SDOF系统进行能量反应分析;然而,真实的结构是多维空间体系,结构构件在空间上具有协同工作的特点,将低维条件下的研究成果推广到更高维的层次上有一定的局限性。针对该问题,基于能量分析方法,研究了1个3×6跨、18层、高55m的高层钢结构在多维地震荷载作用下的抗震性能。明确结构各种能量成分占总输入能的比例关系、结构的极限耗能能力、层间滞回耗能分布规律、结构的损伤(塑性铰)分布,并讨论了不同加速度峰值下瞬态滞回耗能、滞回耗能幅值谱和由能量分析获得的结构等效阻尼比等诸多参数。基于能量指标的分析方法较好地反映地震荷载作用下结构的抗震性能。