SRC柱-钢梁混合框架直接基于位移的抗震设计方法研究

型钢混凝土（SRC）柱-钢梁混合框架结构具有较好的抗震性能,在大跨度结构及高层建筑中得以广泛应用,然而对于SRC柱-钢梁混合框架结构的抗震设计方法研究较少。根据SRC柱-钢梁混合框架结构的特点,将其性能划分为使用良好、暂时使用、修复后使用、接近倒塌四个水平,采用层间位移角限值予以量化,并在此基础上提出SRC柱-钢梁混合框架直接基于位移的抗震设计方法。利用通用有限元软件ABAQUS中的PQ-FIBER模型对SRC柱-钢梁混合框架进行静力弹塑性分析,并采用已有的试验研究成果对PQ-FIBER模型的适用性进行了验证。采用此方法对某8层SRC柱-钢梁混合框架结构进行了设计,然后采用静力弹塑性分析法验证该方法的可行性,为SRC柱-钢梁混合框架结构直接基于位移的抗震设计方法提供一定依据。     

矩形钢管混凝土框架结构受力性能试验研究

为了研究矩形钢管混凝土梁在框架结构中的受力性能,并进一步分析全矩形钢管混凝土框架结构的抗震性能,对竖向荷载和低周反复水平荷载作用下的两榀单跨两层矩形钢管混凝土框架模型进行了抗震性能试验研究。以柱含钢率为变化参数,研究分析了矩形钢管混凝土框架结构的破坏机制、滞回特征、延性、强度及刚度退化等性能。结果表明:与钢筋混凝土、钢结构框架相比较,矩形钢管混凝土框架结构具有承载力高、耗能能力强、强度退化不明显、延性性能好等优点。由此可以推断:矩形钢管混凝土框架结构在承载力、抗震性能以及材料利用等方面有较多的优越性,有进一步研究和推广应用的价值。     

填充墙对矩形钢管混凝土框架结构抗震性能的影响研究

为了研究填充墙对钢管混凝土框架结构抗震性能和受力性能的影响规律,该文通过两榀单跨两层带填充墙的矩形钢管混凝土框架结构的低周反复荷载试验,研究分析了该类框架结构的承载能力、延性、耗能能力、破坏机理及其破坏特征。结果表明,填充墙的存在使框架的承载能力、抗侧刚度均大幅度增加,但其屈服位移和极限位移减小,延性降低。经比较研究发现,带填充墙的矩形钢管混凝土框架与同类其他框架相比具有良好的抗震性能和耗能能力。鉴于填充墙的存在对矩形钢管混凝土框架的受力性能和延性均有较大的影响,在钢管混凝土框架结构的工程实践中,应明确填充墙对结构受力的贡献,若考虑填充墙参与结构受力,则应在整体结构分析中给予考虑,否则填充墙宜与框架柱采取柔性连接,避免产生刚度效应。     

拉筋对两层两跨钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响

该文开展了2榀2层2跨缩尺比例为2/5的水平往复荷载下方钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁平面框架滞回性能试验研究,分析了柱端拉筋强柱构造对钢-混凝土组合框架结构抗震性能的影响。运用有限元软件ABAQUS建立该平面框架有限元模型,在试验验证的基础上开展柱端拉筋等效配箍率对组合平面框架抗震性能影响规律的研究。分析结果表明：柱端拉筋降低了钢管与混凝土之间的滑移、约束混凝土并加强了钢管对混凝土的约束作用,进而提高了柱端抗弯承载力与耗能能力,间接改变了梁柱线刚度比和抗弯承载力比,挖掘了钢梁的耗能潜力;柱端拉筋强柱构造措施有效提高了钢-混凝土组合平面框架结构的刚度、承载力和耗能能力,分别达70%、20%和50%以上。     

PC框架结构基于易损性的“强柱弱梁”设计方法研究

研究和震害均表明,按规范设计的钢筋混凝土框架结构很难实现"强柱弱梁"的破坏机制。当前指导我国预应力混凝土（PC）框架结构抗震设计的04规程是以01抗震规范为基础编制的,滞后于10抗震规范,因而,有必要进行PC框架结构"强柱弱梁"设计方法的研究。首先,考虑进行PC框架设计时其梁中受力钢筋预先确定的特点,提出均采用抗震等级为一级的RC框架结构"强柱弱梁"设计的方法,即:依据梁端实际抗震受弯承载力来调整其柱端弯矩的方法;其次,针对与新方法匹配的柱端弯矩增大系数的合理取值问题,依据04规程设计了抗震等级为一、二、三级的4个多层PC框架,并在OpenSees平台上对其建立非线性分析模型,建模时以框架能形成"强柱弱梁"的屈服机制为目标,在罕遇地震作用下,采用除框架底层柱下端外其他柱截面的纵筋均不屈服的梁铰机制,对每个框架分别输入35条地震波进行罕遇地震作用下的响应分析,并对柱端弯矩增大系数的需求值进行统计,结果表明:PC框架结构边节点和中节点处的柱端弯矩增大系数,在抗震等级为三级时可分别取1.05、1.0,二级时分别取1.25、1.15,一级时分别取1.3、1.2;最后,按新方法对抗震等级为二、三级的两个PC框架进行重新设计,并对其进行基于IDA的易损性分析,验证了本文所提出的设计方法的实用性。     

预应力度对预应力混凝土框架结构抗震性能影响研究

依据我国规范设计4榀不同预应力度、抗震等级为二级的预应力混凝土框架结构,基于OpenSees分析软件,采用纤维梁、柱单元对其进行数值建模,对一榀单层单跨预应力混凝土框架的低周反复加载试验进行数值模拟,滞回曲线和骨架曲线与试验结果吻合良好,验证了该数值建模方法的实用性;在此基础上,对4榀预应力混凝土框架进行了静力弹塑性分析;最后,对按我国规范设计的抗震等级为二级的PC框架结构,在裂缝控制等级为二级时,预应力梁中非预应力筋用量的确定方法及其适用性进行了理论分析。结果表明:按我国现规范设计的预应力混凝土梁中非预应力筋用量偏多,在大震下预应力混凝土框架结构难以实现“强柱弱梁”的破坏模式,底层柱底塑性铰出现过早;适当提高梁端截面的预应力度值,能够在一定程度上改善结构的屈服机制,增大结构的整体位移延性,提高结构的抗震能力。因此,建议在进行相关规范修订时,适当减少非预应力筋配筋、提高框架梁的预应力度限值,如按04规程设计的二级预应力混凝土框架结构,其预应力度限值可提高至0.8。     

增设翼墙RC框架结构的抗震性能研究

增设翼墙方法是提高RC框架结构抗震性能的常用方法。以一个按照现行规范正常设计的7层RC框架结构为例,进行了翼墙加固前后结构的静力弹塑性对比分析和一个缩尺比为1:4的翼墙加固RC框架结构振动台试验。试验及分析结果表明:增设翼墙后显著提高了原结构的抗侧能力,各层层间变形更趋均匀,并有利于"强柱弱梁"屈服机制的实现。宏观破坏模式为翼墙率先发生破坏进行耗能,在极震工况下,翼墙脚部钢筋屈曲而框架柱脚部钢筋尚未达到屈服应变,表明翼墙可有效保护框架柱,实现了多一道抗震防线的作用。     

NES减震RC框架结构节点动力性能分析

为研究NES减震装置对钢筋混凝土框架结构节点抗震性能的影响,设计加工出一种NES新型减震器,进行了一个缩尺比为1∶4的五层钢筋混凝土框架结构模型振动台试验,对NES减震框架结构的1层和2层节点处钢筋应变、节点破坏模式、结构位移及结构自振频率在震害后的变化情况进行分析研究。试验结果表明:NES减震器可以有效降低钢筋混凝土梁柱纵筋箍筋应变以及减少结构的相对位移,减缓柱底和柱顶塑性铰的产生;节点处出现了梁端破坏和节点内剪切破坏,基本实现了框架“强柱弱梁”机制;NES减震器能够有效减少节点处混凝土的剪应力从而缓解节点混凝土的剪切破坏,整体结构最终破坏是由于柱底钢筋屈服,柱脚混凝土被压碎,与底板连接松动导致;设置NES减震器后结构自振频率下降速率降低,NES非线性减震器在降低结构地震响应,提高结构抗震能力、减轻结构震害损伤方面具有良好的控制效果。     

圆钢管再生混凝土柱抗震性能与影响因素分析

为了研究圆钢管再生混凝土柱的抗震性能,以再生粗骨料取代率、长细比、轴压比和含钢率为变化参数,设计10个圆钢管再生混凝土柱试件进行低周反复加载试验,观察了其破坏过程及形态,获取其荷载-位移滞回曲线。基于试验实测数据基础,深入分析了各变化参数对强度、刚度、位移延性和耗能系数等抗震性能指标的影响规律。研究结果表明:在破坏形态上,钢管再生混凝土柱与普通钢管混凝土柱相似,均表现为底部钢管鼓曲、混凝土被压碎。钢管再生混凝土柱的滞回曲线饱满,其形状从梭形发展到弓形。钢管再生混凝土柱的各项抗震性能指标能满足现有抗震规范要求,在地震区推广应用钢管再生混凝土柱可行。随着长细比的减小,试件耗能系数减小,而其他抗震性能指标增加。除刚度随轴压比的减小而减小外,其他抗震性能指标对现有的设计参数变化范围并不敏感。试件壁厚优势在强度、弹性阶段刚度和破坏点耗能系数等方面表现较为显著。     

边柱加强型预应力混凝土框架结构振动台试验研究

摘 要：国内的既有预应力混凝土框架结构(简称PC框架)大都是基于《混凝土结构设计规范(GBJ 10-89)》(简称89规范)进行设计,研究表明,其耗能机制为层间屈服机制。为了提高结构的抗震能力,对基于89规范设计的三层两跨空间PC框架进行了边柱加强,并完成了1:7.2缩尺模型振动台试验。试验表明：加强的边柱在地震作用下的破坏推迟,结构损伤在各楼层分布均匀,模型能够形成梁端和柱端出铰的混合出铰机制,结构整体抗震能力大大提高。此外,近场脉冲型Chi-Chi地震波对结构的位移响应影响更大,而El Centro波则更容易激发模型的高阶振型。     

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...     

含减震外挂墙板的装配式框架结构协同抗震性能研究

针对提出的一种围护-主体协同减震装配式结构新体系,即含减震外挂墙板的装配式框架结构,开展了抗震性能研究。基于试验提出了适用于该类结构的多尺度数值模拟方法;通过一栋RC框架结构明确了该类结构的协同减震机理;基于28个案例揭示了刚度比和屈服力比对其减震机理的影响规律。结果表明:多尺度数值模拟方法可较好模拟该类结构的损伤演化模式和受力特征;减震外挂墙板中所配置的U型阻尼器可先于主体结构屈服耗能,有效控制结构响应,显著降低梁柱构件损伤程度,但不改变主体结构的损伤演化模式;随着关键设计参数(刚度比和屈服力比)的增大,结构层间位移角减震率和阻尼器耗能占比整体逐渐增大,当关键设计参数达到一定值后,两者趋于稳定。研究成果可为主体和围护协同一体化工作的高性能结构体系研发提供参考。     

基于不同规范设计的现役RC框架损伤分析及可修复性能评估

我国现役大多数钢筋混凝土(RC)框架是基于GBJ 11-1989、GB 50011-2001和GB 50011-2010三次抗震设计规范所设计,由于建筑功能的需求,常见框架结构的首层层高明显高于其它层,易导致结构层间变形集中。选择底层层高明显高于其它层的三栋现役RC框架为分析算例,综合考虑填充墙面外变形、节点区剪切变形、柱内钢筋粘结滑移等因素,利用OpenSees有限元分析软件,分别建立其三维空间有限元模型。对三个模型进行了低周往复加载分析和大量地震动激励下的动力时程分析,研究了结构在中震、大震和特大震三个水准下的损伤程度、层间变形的分布模式及可修复性能。结果表明：相对于GBJ 11-1989和GB 50011-2001,基于GB 50011-2010抗震设计规范设计的结构损伤最小,对于潜在薄弱层的加强效果更加明显;中、大震水平,三次规范设计结构发生倒塌的概率均较低,但基于GBJ 11-1989抗震设计规范设计的结构损伤较严重,较难修复;特大震水平,基于GBJ 11-1989和GB 50011-2001抗震设计规范设计的结构倒塌风险较大,基于GB50011-2010抗震设计规范设计的结...     

地震作用下钢框架落层倒塌效应模拟分析

为了研究地震作用下钢框架结构的落层倒塌效应,根据相关文献提供的9层钢框架模型,利用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA分析其在地震作用下的结构响应,同时模拟相关文献中的振动台结构倒塌试验,分析结果同文献对比较为吻合,验证了模型的合理性。对该钢框架在强震作用下的倒塌效应进行仿真,分析表明强震作用下首先由于结构中部薄弱层层间位移角发展达到1/10并持续增大,发生落层倒塌,上部楼层碰撞作用于下部楼层,使下部相邻楼层柱轴力突增,加剧该层P-Δ效应,导致下层倒塌;此外第1层层间位移角亦发展达到1/10并持续增大,继而导致钢框架整体发生连续倒塌破坏。分析了落层倒塌碰撞作用下,薄弱层相邻下层柱总轴力变化规律,其动力放大系数可能大于规范取值。加强薄弱层抗侧刚度可有效防止钢框架发生倒塌破坏;合理设计的钢框架结构当薄弱层层间位移角超过规范限值但未出现持续增大现象时,不出现倒塌破坏。     

基于刚度和位移带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法

带可更换构件的RCS混合框架结构作为一种新型的可恢复功能结构,其抗震设计方法尚不明确。基于其结构受力特性及现行抗震规范中性能水准的划分,提出了正常使用、耗能构件可更换、主框架可修复、生命安全及防止倒塌等5个性能水准,明确了结构在不同性能水准下的受力状态和指标限值。将弹性刚度比和屈服位移比作为结构设计控制参数,提出了基于双参数的带可更换构件RCS混合框架结构抗震设计方法, 并给出了抗震设计的具体实施步骤和构件截面设计方法。通过非线性静力分析及动力时程分析,对一幢3层带可更换构件的RCS混合框架结构进行抗震设计。分析结果表明:结构能满足预期的不同性能水准,所提抗震设计方法是有效性的。     

外廊式RC框架破坏机理的振动台试验研究

通过地震现场调查,对汶川地震中大量倒塌的外廊式钢筋混凝土框架结构的破坏特点、倒塌方向及堆积情况进行了总结。设计相似比为1/4的两层外廊式框架结构模型,并进行了振动台框架倒塌试验。试验再现了典型外廊式框架的倒塌过程。根据框架倒塌模式及试验结果分析,研究了各层加速度反应随结构破坏程度加深的关系及层间位移角变化规律。总结出框架结构破坏不同阶段所对应的层间位移角限值,计算了不同输入下各柱的动轴压力大小,分析了外廊式框架的破坏机理及倒塌原因。研究结果表明:在倾覆弯矩引起的动轴压力作用下,外廊式框架单柱侧的总轴压比升高,延性显著降低,柱端塑性铰区出现压剪破坏是引起外廊式框架倒塌的主要原因。     

基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计

结构在地震作用下发生均匀损伤或均匀变形可以避免出现薄弱层和集中损伤,且结构整体抗震性能可得到全面提升。以此为目标对结构进行抗震优化设计具有重要的理论和工程意义,但相关的理论和规律性研究尚不够系统深入。针对目前结构优化算法计算效率较低的不足,提出基于差分进化算法和粒子群算法的混合智能算法,并给出结构优化计算流程。针对弯剪型框架结构,以弹性动力时程分析中结构各层的层间相对位移相等为优化目标,基于混合智能算法对结构楼层刚度进行优化设计,获得了楼层刚度的最优分布规律。在此基础上研究了地震动随机性和梁柱刚度比等因素对优化结果和刚度分布规律的影响。基于曲线拟合和等效理论分析,建立楼层最优刚度比和等效最优截面尺寸比的多项式函数。通过与现有研究成果的对比,验证所建立的经验函数具有较高的精度,可为面向均匀变形的结构优化设计提供准确有效的参考依据并可提高计算效率。