底部兩層框架--抗震墻砌體房屋墻柱梁樓梯整體體系抗震防線的研究（可編輯）

底部兩層框架抗震墻砌體房屋墻柱梁樓梯整體體系抗震防線的研究山東建筑大學碩士學位論文山東建筑大學碩士學位論文題目底部兩層框架一抗震墻砌體房屋墻柱梁樓梯整體體系抗震防線研究計學位論文頁表格個插圖幅評閱人指導教師學院院長學位論文完成日期蘭山東建筑大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明所提交的學位論文是本人在導師的指導下,獨立進行研究取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,論文中不合其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得山東建筑大學或其他教育機構的學位證書而使用過的材料。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人承擔本聲明的法律責任。學位論文作者簽名學位論文使用授權聲明本學位論文作者完全了解山東建筑大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定,即山東建筑大學有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權山東建筑大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或其它手段保存、匯編學位論文。保密論文在解密后遵守此聲明。學位論文作者簽名簽名導師期山東建筑大學碩士學位論文摘要底部框架一抗震墻砌體房屋因其能夠滿足底部大空間的需要,且施工簡單,建設成本相對較低,目前在中小城市的臨街建筑、村鎮(zhèn)建筑中得到廣泛應用。相應于這種結(jié)構存在的現(xiàn)實,此類房屋的抗震仍然是一個重要的問題。按照建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定,房屋建筑基本的抗震設防目標是小震不壞、中震可修、大震不倒,其中樓梯作為地震時逃生的通道具有特別的重要性,若樓梯首先發(fā)生破壞就可能困住建筑物內(nèi)的人員,對其生命安全造成巨大的威脅,所以樓梯應該成為安全島。為了實現(xiàn)抗震設防目標并且使樓梯成為安全島,就必須全面分析整個結(jié)構體系,了解抗震防線以及可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié),從而采取合理適當?shù)拇胧τ诘撞靠蚣芤豢拐饓ζ鲶w房屋,以前結(jié)構分析的普遍做法,是墻柱梁豎向承載體系與樓梯體系分別考慮,認定樓梯幾乎不參與承擔水平地震作用。對于這種房屋的抗震研究,也重點是著眼于頭重腳輕上剛下柔的豎向不規(guī)則,沒有考慮墻柱梁樓梯整個體系的抗震防線情況,這樣的分析研究顯然是有缺陷的。本文將基于墻柱梁樓梯整體結(jié)構分析進行抗震設防的研究。本文將以底部為兩層的框架抗震墻結(jié)構、上部為四層砌體結(jié)構房屋為研究對象,利用靜力彈塑性分析確定構件塑性鉸的發(fā)展,研究底部框架一抗震墻砌體房屋的抗震防線的分布。具體的說,是運用有限元分析軟件,按照樓梯構件參與結(jié)構共同工作的實際情況,對有樓梯與無樓梯情況進行比較,分析整個結(jié)構體系。基于靜力彈塑性分析的結(jié)論提出應對思路,在墻柱梁中布置適當?shù)目拐鸱谰€,采用樓梯半滑支的措施,避免樓梯構件參與承擔水平地震作用,調(diào)控整個結(jié)構體系中的力系,使得樓梯構件中只能出現(xiàn)很小的內(nèi)力,保證成為安全島。關鍵詞底部框架一抗震墻砌體房屋,樓梯,塑性鉸,抗震防線山東建筑大學碩士學位論文陀,”,”,山東建筑大學碩士學位論文,、,山東建筑大學碩士學位論文目錄摘要第章緒論引言底部框架一抗震墻砌體房屋的結(jié)構組成、主要特點底部框架一抗震墻砌體房屋結(jié)構的研究成果底部框架抗震墻砌體房屋的試驗研究底部框架抗震墻砌體房屋的理論研究底部框架抗震墻砌體房屋設計中存在的問題本文主要的研究方法及研究內(nèi)容第章地震作用及結(jié)構抗震防線概述地震作用確定地震作用的方法結(jié)構抗震防線多道防線的概念多道抗震防線的必要性多道抗震防線選擇的原則各個結(jié)構形式的多道防線設置框架結(jié)構剪力墻結(jié)構框架一剪力墻結(jié)構砌體結(jié)構本章小結(jié)第章有限元分析方法有限元分析的含義山東建筑大學碩士學位論文有限元方法的基本原理有限元軟件中的對象和單元材料與截面分析的實現(xiàn)方法分析方法的基本概念分析的基本思路分析本章小結(jié)第章模型的建立繪制結(jié)構模型計算參數(shù)取值材料的計算參數(shù)荷載參數(shù)取值驗證模型的可行性建立模型整體模型的建立樓梯模型的建立本章小結(jié)第章計算結(jié)果分析、模態(tài)比較分析一模型抗震防線的分析模型抗震防線的分析模型抗震防線的分析樓梯構件的屈服樓梯間塑性鉸的出現(xiàn)樓梯梁柱的破壞樓梯間梯段板的破壞底部框架抗震墻砌體房屋的多道抗震防線的控制建議本章小結(jié)山東建筑大學碩士學位論文第章結(jié)論主要結(jié)論存在的問題參考文獻致謝攻讀碩士學位期間發(fā)表論文發(fā)表及科研情況山東建筑大學碩士學位論文第章緒論引言底部兩層框架一抗震墻砌體房屋指的是在結(jié)構的底部兩層采用具有抗震墻的框架結(jié)構,而上部則采用剛度較大的砌體結(jié)構。在我國現(xiàn)階段經(jīng)濟發(fā)展、生活環(huán)境和建筑市場的需求下,底部兩層框架一抗震墻砌體房屋因其底部具有大的空間而受到歡迎。這類房屋底層空間根據(jù)該地區(qū)不同的需要可以用于設置不同的用途,如可以建設成游戲廳、網(wǎng)吧、超市、會所大廳以及其他一些娛樂設施等,二層則可以用于辦公室、休息室等,上部砌體結(jié)構房間一般用于人們的日常生活居住。建筑抗震設計規(guī)范對此類結(jié)構房屋層數(shù)、總高度以及在各個地震烈度下的抗震墻材料的選用、抗震墻厚度、抗震墻最大間距都有明確的規(guī)定。底部兩層框架一抗震墻砌體房屋與底層框架抗震墻砌體房屋相比,具有更大的空間房屋面積,在使用上具有了更大的選擇性,將此類房屋的價值發(fā)揮到最大。另外,在實際工程的施工過程中發(fā)現(xiàn),當采用這種復合結(jié)構房屋時,除了施工方便以外,在造價上也比純框架結(jié)構更加節(jié)約。事實表明,相同使用功能條件下可節(jié)約造價/為砌體層的層數(shù),底部兩層一框架抗震墻砌體房屋這種良好的優(yōu)越性在很大的程度上滿足了人們?nèi)粘５纳钚枰?因此在我國一些城市,尤其繁華地段的臨街建筑和居民小區(qū)的帶商店的建筑中使用較多,在經(jīng)濟欠發(fā)達的中西部地區(qū)尤為適用。底部框架一抗震墻砌體房屋的結(jié)構組成、主要特點許多文獻中將底部為一層框架抗震墻砌體房屋稱為底層一框架抗震墻砌體房屋將底部為兩層框架的抗震墻砌體房屋則稱為底部框架一抗震墻砌體房屋建筑抗震設計規(guī)范則統(tǒng)稱為底部框架一抗震墻砌體房屋。下文中將底部兩層框架一抗震墻砌體房屋統(tǒng)一簡稱為底部框架一抗震墻砌體房屋。底部框架一抗震墻砌體房屋主要指結(jié)構底部兩層采用鋼筋混凝土框架抗震墻而上部采用砌體結(jié)構的房屋也有少數(shù)底部兩層采用鋼筋混凝土框架一“約束砌體”抗震墻而上部采用砌體結(jié)構的房屋。這類房屋底部大空間而上面各層采用較山東建筑大學碩士學位論文多縱橫墻,從抗震概念設計原則上看,是“頭重腳輕”,“上剛下柔”的結(jié)構體系其上部為砌體,剛度大底部為框架,剛度小在地震作用下,由于材料屬性的不同,豎向剛度會發(fā)生急劇的變化,抗震性能差。從耗能的觀削】看,地震產(chǎn)生的巨大能量有相當大的一部分作用到了底部框架上,而上部砌體只吸收了很小的一部分能量,這就導致了底部的變形超出了了規(guī)范規(guī)定的最大允許變形,從而導致結(jié)構底部嚴重破壞,引起倒塌。起初,在結(jié)構底層布置這種新型的柔性結(jié)構形式曾一度風靡全球,并且有大部分學者利用若干的實例對這種底層柔性結(jié)構進行了試驗,通過這些試驗,人們發(fā)現(xiàn)其可以作為一種很好的抗震結(jié)構來使用,六十年代初,許多國家如美國、墨西哥、意大利、南斯拉夫和原蘇聯(lián)等為了提高結(jié)構的抗震能力將底層設置成柔性結(jié)構在其國內(nèi)頻繁使用。但是,柔性底層結(jié)構并不像它在觀念上設想的那樣,在歷次的地震中都受到了嚴重的破壞。年南斯拉夫的斯科普里城地震,其中一些底層多為商店,無隔墻,上層為住宅,隔墻較多的樓房,在發(fā)生地震后上面各層基本沒有震害,而底部則發(fā)生了嚴重的傾斜。年月日,日本新渴縣中越地區(qū)發(fā)生里氏級強地震,這次地震對該地區(qū)造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡,柔弱底層的建筑物底層空曠,抗側(cè)力構件少,在次強烈地震的作用下這些建筑物發(fā)生傾斜甚至倒塌,雖然建筑物各層的層高相差不大,但是由于底層抵抗地震作用的能力差,使其變形過于集中,吸收了更多的地震能量,對這類建筑造成的破壞更加嚴重。年月日我國四川省汶川縣發(fā)生了里氏級特大地震,此次地震震級級,震源左右,烈度高達度,這一次千年不遇的特大地震再一次向人類展示了自然災害的強大破壞力。調(diào)查統(tǒng)計,汶川大地震造成多萬間房屋倒塌,多萬間房屋損壞,北川縣城、汶川縣映秀鎮(zhèn)等部分城鎮(zhèn)夷為平地,對當?shù)厝嗣褙敭a(chǎn)造成了特大的損失,直接經(jīng)濟損失超過萬億】。建筑工程的震災調(diào)查發(fā)現(xiàn)在這次地震中,城鎮(zhèn)居民臨街建筑為獲得上部結(jié)構用于居住,底部結(jié)構擁有較大的商業(yè)空間的結(jié)構形式,這些地區(qū)通常建造有大量的底部框架一抗震墻砌體房屋。賈強,孫建平【】等對北川新縣城急震區(qū)的多棟底部框架一抗震墻房屋結(jié)構震害情況進行了統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果表明,基本完好和局部損壞的房屋只占嚴重損壞的占到總數(shù)的上部砌體坍塌部分占的數(shù)量只有,由此表明上部磚混結(jié)構只承受了地震的一部分能量,大部分都有底部框山東建筑大學碩士學位論文架所承擔,可見其抗震性能較差。這種“上剛下柔”的結(jié)構之所以底部柔弱層容易發(fā)生破壞,主要原因是底部柔弱層的抗側(cè)移剛度相對上部而言較小,當發(fā)生較大地震時,房屋側(cè)移主要集中在底部結(jié)構,當?shù)撞康膫?cè)移超過了它所能承受的允許值時,就會發(fā)生傾斜甚至倒塌。從耗能的觀點看,底部承受了地震所產(chǎn)生的大部分能量而上部承受的能量較少,以至底部承受的能量超過了它所能承受能量的允許值,從而導致結(jié)構破壞,引起倒塌?；诘撞靠蚣芸拐饓ζ鲶w結(jié)構特殊的結(jié)構形式,通過進行試驗及理論研究對其抗震能力提供有效的措施以及抗震結(jié)構設計提出合理化的建議具有重要的實際意義和實用價值。底部框架一抗震墻砌體房屋結(jié)構的研究成果隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、生活環(huán)境和建筑效應的需求,底部框架一抗震墻砌體房屋作為一種特殊的結(jié)構形式頻繁出現(xiàn)在我國一些經(jīng)濟欠發(fā)達的地區(qū)。近幾十年來,尤其是在汶川地震以后,國內(nèi)學者的研究如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。這些研究主要圍繞這種結(jié)構在地震作用下的地震性能、震害特點、動力反應和破壞機理、側(cè)向剛度比、薄弱樓層的控制等方面展開,內(nèi)容非常豐富。底部框架抗震墻砌體房屋的試驗研究底部框架一抗震墻砌體房屋結(jié)構是一種“上剛下柔”的豎向不規(guī)則結(jié)構,這種結(jié)構形式?jīng)Q定了它具有較差的抗震能力,因此為了提高這種結(jié)構的抗震能力,改善抗震性能,國內(nèi)許多學者都為此做出了大量的研究。底部框架一抗震墻結(jié)構是有多種材料組成的,力學性能復雜,如果用計算的手段來研究該結(jié)構的抗震性能將會變得異常困難,因此目前為了更好的研究這種結(jié)構的抗震能力一般采用模擬地震振動臺模型試驗【】模型試驗從很大程度上真實的反應了這種“上剛下柔”結(jié)構在地震作用下的力學性能。鄭山鎖,戴俊】曾通過一/模型的振動臺試驗,對多個試驗段的模型進行了振型和阻尼比的分析。在整個試驗過程中,模型經(jīng)歷了彈性、開裂、彈塑形工作階段,甚至最后破壞。試驗顯示,模型的破壞是從二層柱子根部出現(xiàn)塑性鉸開始,然后是一層柱根也出現(xiàn)了塑性鉸,最后二層、一層梁端彎曲裂縫相繼山東建筑大學碩士學位論文貫通,不難看出一層,尤其是二層是這種結(jié)構的薄弱層。高小旺,王菁,肖偉,孟鋼,王金妹【】依據(jù)總層數(shù)為層的底部框架抗震墻磚房/比例模型抗震試驗和對這類房屋的彈性、彈塑性分析研究的成果,概要的闡述了這類磚房的受力和變形特點、結(jié)構體系以及提高其整體抗震能力的要求。模型試驗研究結(jié)果表明,底部框架一抗震墻砌體房屋的抗震能力是由底部框架結(jié)構和薄弱樓層的匹配程度決定的,因此為搞好這類房屋的抗震設計,應重視結(jié)構體系,提高過渡層的抗震能力同時要避免房屋出現(xiàn)薄弱樓層。為了更加深入探討底部框架一抗震墻房屋結(jié)構的抗震性能,國內(nèi)學者梁興文,王慶霖等】進行了一系列模擬試驗,其中比較典型的就是其對一底部框架一抗震墻上部四層磚房進行的模型試驗,通過這種與實際情況符合程度很高的試驗,分析這種結(jié)構在地震作用下的振型曲線來確定這種結(jié)構是否能夠滿足規(guī)范要求的結(jié)構動力特性以及合理的破壞形式。試驗結(jié)果表明,底部兩層鋼筋混凝土框架抗震墻對整個結(jié)構的地震反應有著很大的影響,而且在設計合理的條件下會對上部磚混結(jié)構起到很好的減震作用。另外,通過試驗會發(fā)現(xiàn),過渡層承受了最大的地震剪力和傾覆力矩,受力最不利,屬于此模型的薄弱層,在過渡層墻體中部增設構造柱是提高其水平承載力和側(cè)向剛度的有效措施。此外,在國內(nèi)通過試驗研究對這類結(jié)構提出合理的構造措施和有效的控制結(jié)構的側(cè)向剛度也取得了很大的進展,如薛建陽,趙鴻鐵【】利用振動臺試驗,實際的反應了底部框架抗震墻砌體房屋的動力反應以及破壞形態(tài),間接的證明了規(guī)范中對于此類結(jié)構采取合理的構造措施的必要性以及在一定的控制范圍內(nèi)取用剛度比的重要性。試驗表明,地震作用下底部框架一抗震墻砌體結(jié)構的薄弱層是最容易遭受破壞的部位,為了減輕這種薄弱部位的破壞,采取一定的構造措施是必須的,我們可以通過增加構造柱的密集程度,或者在薄弱環(huán)節(jié)增大受力鋼筋的配筋率,結(jié)果表明這些措施對于增強這類結(jié)構的抗爭能力是行之有效的。同時,為使結(jié)構最終形成延性較好的破壞機構,應限制鋼筋混凝土框架和剪力墻的配筋率和抗彎剛度,并控制第二層和第三層的抗側(cè)移剛度比。通過對這些振動試驗的研究,建筑抗震設計規(guī)范】對于底部框架一抗震墻砌體房屋的結(jié)構布置提出了以下一些要求上部的砌體墻體與底部的框架梁或抗震墻,除樓梯間附近的個別墻段外均應對齊。房屋的底部,山東建筑大學碩士學位論文應沿縱橫兩方向設置一定數(shù)量的抗震墻,并應均勻?qū)ΨQ布置。度且總層數(shù)不超過四層的底層框架抗震墻砌體房屋,應允許采用嵌砌于框架之間的約束普通磚砌體或小砌塊砌體的砌體抗震墻,但應計入砌體墻對框架的附加軸力和附加剪力并進行底層的抗震驗算,且同一方向不應同時采用鋼筋混凝土抗震墻和約束砌體抗震墻其余情況,度時應采用鋼筋混凝土抗震墻,、度時應采用鋼筋混凝土抗震墻或配筋小砌塊砌體抗震墻。底部兩層框架一抗震墻砌體房屋縱橫兩個方向,底層與底部第二層側(cè)向剛度應該接近,第三層計入構造柱影響的側(cè)向剛度與底部第二層側(cè)向剛度的比值,、度時不應大于,度時不應大于,且均不應小于。底部框架一抗震墻砌體房屋的抗震墻應設置條形基礎、筏形基礎等整體性好的基礎。規(guī)范中對底部框架一抗震墻側(cè)向剛度比做了嚴格的要求,可見側(cè)向剛度對底部框架一抗震墻抗震性能的影響是非常重要的。底部框架一抗震墻砌體房屋的理論研究層出不窮的匕/模型試驗使得人們對于底部框架一抗震墻從構件到整體都有了更加全面的認識,在這些試驗的基礎上專家們又做出了一系列的理論分析,通過這些理論的分析使得對于提高底部框架一抗震墻砌體房屋的抗震性能有了堅定的理論基礎。為了研究底部框架一抗震墻砌體房屋在地震區(qū)的適用性,薛建陽,趙鴻鐵【等在其比例模型試驗的基礎上,結(jié)合工程實例,分析了底部框架一抗震墻砌體房屋在水平地震作用下的力學性能,計算了六種不同側(cè)向剛度比條件下結(jié)構的彈塑性動力反應。分析結(jié)果表明隨著剛度比的增加,底部兩層變形增大,上部各層則略有減少,反應了剛度比對結(jié)構的影響。近年來,隨著計算分析軟件的發(fā)展,有限元分析軟件模擬底部框架一抗震墻砌體房屋進行的分析也越來越多。如李燕【運用有限元結(jié)構分析軟件,以底部框架抗震墻、上部為四層磚混結(jié)構房屋為研究對象,研究了底部兩層在靜力和地震作用下的內(nèi)力分布規(guī)律,對提高同類結(jié)構的抗震性能具有現(xiàn)實的知道意義。李琪,顧榮科基于位移的底部框架一抗震墻房屋抗震能力分析對于建筑抗震規(guī)范中提出的底部框架磚房結(jié)構的側(cè)向剛度比的條件,分析了不同側(cè)向剛度比條件下此類結(jié)構的抗震能力,按照建筑抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、山東建筑大學碩士學位論文大震不倒”的三水準抗震性能,基于性能/位移抗震設計思想,考慮了不同的側(cè)向剛度比,并通過動力時程分析,研究了底部框架磚房在不同地震作用下的變形能力和彈塑形反應。分析結(jié)果表明結(jié)構各層的樓層位移在不同地震強度作用下隨著側(cè)向剛度比的增大而增大,而且不同側(cè)向剛度比的情況下,結(jié)構層間位移最大反應基本在第二層,隨著地震加速度的增大,最大層問位移會出現(xiàn)在第一層,且隨著剛度比增大,底部變形劇增。底部框架抗震墻砌體房屋設計中存在的問題比例模型試驗研究及其理論分析主要圍繞底部框架抗震墻對結(jié)構抗震能力進行的研究,通過結(jié)構抗震墻的布置、抗側(cè)移剛度比的變化、構件的彈性及彈塑形分析,找出此類結(jié)構的薄弱層以及受力特點,并且提出了一系列的措施以及側(cè)移剛度比的控制范圍對結(jié)構抗震性能的影響都提供了有利的證據(jù)?？梢赃@樣說,這樣研究分析主要是著眼于上部砌體結(jié)構與底部框架一抗震墻結(jié)構之間差異帶來的影響。分析底部框架一抗震墻砌體房屋在地震作用下的反應,除了考慮底部抗震墻等影響外還有另外一個不可忽略的因素樓梯對整體結(jié)構的影響徐珂【在“對汶川地震中幾種震害的認識”一文中發(fā)現(xiàn)底部框架一抗震墻砌體房屋在本次地震中遭到了嚴重的破壞,其中樓梯破壞表現(xiàn)出了較大的破壞性。由此可見樓梯作為地震作用下逃生和緊急避難的“安全島”,若樓梯首先發(fā)生破壞將會給建筑物內(nèi)人員的生命安全造成巨大的威脅。針對在地震中建筑物樓梯間受到的破壞都較為嚴重這個問題,建筑抗震規(guī)范條中專門提出,利用計算機進行結(jié)構抗震分析,計算模型的建立、必要的簡化計算與處理,應符合結(jié)構的實際工作情況,計算中應考慮樓梯構件的影響。另外在條提出了砌體結(jié)構樓梯問的加強措施。雖然砌體結(jié)構屬于“剛性結(jié)構”,受水平地震作用后結(jié)構變形較小,樓梯部位對于整個結(jié)構的剛度影響不明顯,但是通過規(guī)范采取的措施,應該能夠?qū)翘莸钠茐钠鸬胶芎玫淖饔?。然而對于底部框架一抗震墻砌體房屋樓梯如何處理,如何考慮樓梯參與結(jié)構整體對結(jié)構剛度的影響有待討論。山東建筑大學碩士學位論文本文主要的研究方法及研究內(nèi)容本文借助汶川地震建筑結(jié)構震害資料,從基于性能的抗震設計思想出發(fā),參考眾多學者對于底部框架一抗震墻砌體房屋的震害研究、樓梯一框架一墻協(xié)同工作規(guī)律的研究、多道抗震防線的設置原則,把這種整體結(jié)構在地震作用下抗震防線的研究作為本文的重點。即在規(guī)范規(guī)定的樓梯參與結(jié)構整體分析的前提下,更加注重結(jié)構構件內(nèi)力的變化以及結(jié)構出現(xiàn)什么樣的屈服機制才是合理的。本文利用分析方法,并應用有限元分析軟件建立三種有限元模型進行分析比較,確定結(jié)構整體的抗震防線,著重研究結(jié)構樓梯體系的屈服機制,塑性鉸的變化以及樓梯間的破壞形式,判斷樓梯成為薄弱環(huán)節(jié)還是成為一道抗震防線。以底部框架一抗震墻砌體房屋為研究對象,采用逐步施加靜力荷載的方法,研究結(jié)構整體體系在加載過程中的受力變化,結(jié)構的屈服機制,依據(jù)多道抗震防線的原則,確定底部框架一抗震墻砌體房屋的多道抗震防線。運用有限元軟件,選取適當?shù)膯卧?建立了三種模型底部無抗震墻無樓梯的框架模型、底部無樓梯的框架一抗震墻模型、底部框架一抗震墻一樓梯模型,對建立的三種分析模型進行相互比較,總結(jié)出三種模型不同之處以及采用時樓梯對結(jié)構的整體影響。解析各個模型的分析結(jié)果,觀察各個模型中塑性鉸出現(xiàn)的順序和位置,各個模型中構件的破壞形態(tài),確定抗震防線設置的合理性重點分析樓梯間構件的塑性鉸?；诜治鼋Y(jié)果,為保證樓梯不會成為結(jié)構的薄弱環(huán)節(jié)而是成為安全島,達到合理地布置抗震防線的目標,提出樓梯半滑支抗震措施的合理化建議。山東建筑大學碩士學位論文第章地震作用及結(jié)構抗震防線概述在建筑抗震設計中,所指的地震是由于地殼構造運動使深部巖石的應變超過允許值,巖層發(fā)生斷裂、錯動而引起的地面振動。強烈的構造地震影響面廣,破壞性大,發(fā)生頻率高。約占破壞性地震總量的【】以上。因此,在建筑抗震設計中,僅限于討論在構造地震作用下建筑的設防問題。地震設防目標,指的是地震作用下,不同地震烈度的地震影響對建筑物的結(jié)構構件等的使用要求建筑抗震設計規(guī)范根據(jù)我國的實際情況,提出了符合我國現(xiàn)有國情的三種抗震設防標準【】,既能夠使建筑物在地震時獲得足夠的安全,滿足使用要求,又能夠合理的使用建設投資。第一水準地震區(qū)的地震烈度要比本地區(qū)的建筑物抗震設防烈度低,此時處于地震區(qū)的建筑物主體結(jié)構并沒有受到損壞或者是受到損壞但不需要修理就可以繼續(xù)使用,這時結(jié)構處于彈性狀態(tài)下的受力階段,房屋還處在正常使用狀態(tài),此即為“小震不壞”。第二水準地震區(qū)的地震烈度與與本地區(qū)建筑物的地震設防烈度相近,此時處于地震區(qū)的結(jié)構受到輕微損壞但需要修理才能繼續(xù)投入使用,這時結(jié)構己進入非彈性工作階段,要求這時的結(jié)構體系損壞或非彈性變形應控制在可修復的范圍內(nèi),此即為“中震可修”。第三水準地震區(qū)的地震烈度要比本地區(qū)建筑物的地震設防烈度高,此時地震區(qū)的建筑物受到的損壞不至于發(fā)生倒塌或?qū)χ車斐晌C,這時結(jié)構將出現(xiàn)較大的非彈性變形,但要求變形控制在房屋免于倒塌的允許范圍內(nèi)。這條規(guī)定也表明我國的抗震設計要同時達到多層次要求,此即為“大震不倒”。地震一旦發(fā)生都會對周圍的地區(qū)造成影響,因此了解地震的振動對于建筑物的抗震設計會有很大的幫助,現(xiàn)有地震理論,表征地震動特性及其破壞作用的要素有三峰值加速度山東建筑大學碩士學位論文頻譜組成持續(xù)時間下圖表征三種烈度含義及含義概率密產(chǎn)鼉。度函數(shù),仆/鈕/烈度“供罕遇瓣眾值嘉罕遇基本烈度烈度烈度一生小霞女譬圖三種烈度及含義由此可見,影響建筑物破壞程度的不僅是地面運動最大加速度這個單一的物理量,還與地震動的波形以及震動持續(xù)時間密切相關。地震作用地震釋放的能量,以地震波的形式向四周擴散,地震波到達地面后引起地面運動,使地面原來處于靜止的建筑物受到動力作用而產(chǎn)生強迫振動。在振動過程中作用在結(jié)構上的慣性力就是地震荷載。這樣,地震荷載可以理解為一種能反映地震影響的等效荷載。實際上,地震荷載是由于地面運動引起結(jié)構的動態(tài)作用,不應該稱為“地震荷載”,應稱為“地震作用”【】。在地震作用效應和其他荷載效應的基本組合超出結(jié)構構件的承載力,或在地震作用下結(jié)構的側(cè)移超過允許值時,建筑物就遭到破壞,以至倒塌。因此,在建筑物抗震設計中,確定地震作用是一個十分重要的問題。確定地震作用的方法地震作用對于建筑物的抗震設計具有重大的影響,因此如何確定地震作用也成為建筑抗震設計中的一個重要環(huán)節(jié)。山東建筑大學碩士學位論文現(xiàn)在世界上許多國家和地區(qū)的抗震設計規(guī)范中廣泛采用的方法是反應譜理論,其中又以加速度反應譜應用最多。加速度反應譜指的是單質(zhì)點彈性體系在一定的地面運動作用下,最大反應加速度一般用相對值與體系自振周期的變化曲線。當結(jié)構體系的自振周期己知時,根據(jù)已有的計算公式并結(jié)合反應譜曲線,就能夠很快速的確定結(jié)構體系的反應加速度,進而求出地震作用。應用反應譜理論不僅可以解決單質(zhì)點體系的地震反映計算問題,對于多質(zhì)點體系的地震反映還可以通過振型分解法來進行確定。在實際工程中,存在很多特別不規(guī)則建筑,此時常常采用時程分析法來計算結(jié)構的地震反映。時程分析法是用數(shù)值積分求解運動微分方程的一種方法,在數(shù)學上稱為逐步積分法。這種方法由初始狀態(tài)開始逐步幾分直至地震終止,求出結(jié)構在地震作用下從靜止到振動、直至振動終止整個過程的地震反應位移、速度、加速度。結(jié)構抗震防線汶川地震震害分析中可以看出,地震時建筑物的破壞是導致人民生命財產(chǎn)損失的主要因素,因此建筑物設計時,通過加強抗震設防減少建筑物破壞成為研究的重中之重。同時,建筑抗震設計規(guī)范第條也提出“抗震結(jié)構體系益有多道抗震防線益有合理的剛度和承載力分布,避免因局部削弱或突變形成薄弱部位,產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中結(jié)構在兩個主軸方向的動力特性宜相近?！倍嗟婪谰€的概念建筑物在地震作用下一些構件首先進入屈服狀態(tài),這些構件由于進入屈服狀態(tài)早,在屈服進展的過程中消耗了地震大量的能量,這是主要的耗能構件。在屈服進展過程中,這些構件由于還約束于其他仍處于彈性狀態(tài)的構件,因此這一階段可以成為約束屈服階段【。圖示意了結(jié)構的屈服歷程,表明了內(nèi)力與位移的關系。在地震初期。結(jié)構處于彈性工作狀態(tài)自點開始即有構件將進入彈塑形狀態(tài)之后,不斷的有構件進入屈服狀態(tài),結(jié)構的內(nèi)力逐漸增大,位移增大的更快,直至整個結(jié)構進入無約束的全塑性屈服階段,最后倒塌破壞。山東建筑大學碩士學位論文圖屈服歷程、內(nèi)力與位移關系士駕一奶“這種結(jié)構正是現(xiàn)在建筑抗震設計中所希望得到的,當結(jié)構在點開始出現(xiàn)屈服后,結(jié)構并不是立刻喪失其承載力發(fā)生破壞,而是將要重新分配內(nèi)力建立另外一種新的平衡,我們把此時點稱為結(jié)構抗震的第一道防線,點之后的新的受力結(jié)構稱為抗震的第二道、第三道第道防線。多道抗震防線的必要性多道抗震防線對與提高結(jié)構的抗震性能有著不可忽視的意義,一次大的地震,某場地產(chǎn)生的地震動,能造成建筑物破壞的強震持續(xù)時間工程持時,一般為幾秒到幾十秒,這樣長時間的振動,相當于對建筑物施加多次沖擊荷載,建筑物在長時間的沖擊荷載作用下必然會逐漸破壞直至倒塌?？梢韵胂?只設置一道抗震防線的建筑物如何能夠抵擋得住這一波接著一波的沖擊荷載,倒塌是必然的。而且當建筑物因為其自振周期與地震動的卓越周期相近而發(fā)生了共振時,此時就更加的加快了結(jié)構倒塌的過程。然而如果建筑物采用的是多道防線的多重抗側(cè)力體系,第一道防線的抗側(cè)力構件在強烈地震作用下遭到破壞時,后備的第二道甚至第三道第四道防線接替第一道防線工作,抵擋后續(xù)的地震動的沖擊,就會使保證建筑物最低限度的安全,免于倒塌。當遇到建筑物的自振周期與地震動卓越周期相近的情況時,這樣的多道防線更加的表現(xiàn)出其優(yōu)越性。當?shù)谝坏揽箓?cè)力防線因共振而破壞,后續(xù)的幾道防線接替第一道防線,將會使的建筑物的自振周期出現(xiàn)較大的幅度變化,從而與地震動的卓越周期錯開,緩解共振作用,減輕地震對建筑物的破壞作用。山東建筑大學碩士學位論文多道抗震防線選擇的原則抗震等級影響需要設置的抗震防線數(shù)量,對于抗震等級較低的結(jié)構可以主要考慮第一道防線,而對抗震等級較高的結(jié)構則應該考慮更多道防線,這樣才能更好的使后續(xù)幾道防線發(fā)揮出最大的作用。地震時能量是巨大的,為了更好的提高結(jié)構的耗能能力,對于主要的耗能構件應該在具有很好的延性的同時還應該具有適當?shù)膭偠?。對于同一樓層?nèi)宜使主要的耗能構件屈服后,其他的抗側(cè)力構件應該仍處于彈性階段,使得“有約束屈服階段”盡量延長,以保證結(jié)構的延性和抗倒塌能力。對于第一道防線的選擇不能使其對結(jié)構的豎向承載力有較大的影響。因為建筑物的倒塌主要是由于其喪失了對重力荷載的承受能力。因此第一道防線應該選擇軸向應力較小的構件作為主要的耗能構件。對于結(jié)構的自振周期,不同的防線宜有不同的區(qū)別,以減少其共振頻率。如果設置的第一道防線避開了場地的卓越周期,結(jié)構就不會發(fā)生共振,建筑物就不會發(fā)生倒塌。如果未能避開,則后續(xù)的幾道防線也應該能夠避開,從而減輕地震的破壞。應建立一系列分布的屈服區(qū),有意識的在一些構件中采取特殊的構造措施,使構件的塑性變形集中在潛在的屈服區(qū)內(nèi),使得結(jié)構具有更加有利的塑性重分布能力。這樣處在屈服區(qū)的構件就會率先屈服,在隨后的持續(xù)地震中會消耗掉地震動所產(chǎn)生的大部分能量,從而起到保護其他重要構件的作用。各個結(jié)構形式的多道防線設置框架結(jié)構框架結(jié)構是由梁和柱以剛接或者鉸接構成承重體系的結(jié)構,即由梁和柱組成框架共同抵抗適用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載?？蚣芙Y(jié)構是一種非常單一的結(jié)構體系,因此如果要設置抗震防線只能是針對框架結(jié)構的柱和梁。我們可以通過控制柱和梁的相對強度實現(xiàn)兩道防線第一道防線是框架梁,從只有一部分梁端出現(xiàn)塑性鉸到全部梁端都出現(xiàn)塑性鉸。第二道防線是框架柱,從梁端大量的塑性鉸出現(xiàn)轉(zhuǎn)動開始到柱根開始出現(xiàn)塑性鉸。山東建筑大學碩士學位論文剪力墻結(jié)構剪力墻結(jié)構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構中的梁柱,能承擔各類荷載引起的內(nèi)力,并能有效控制結(jié)構的水平力。當剪力墻結(jié)構中聯(lián)肢剪力墻連梁設計合理剛度和強度適當時,剪力墻結(jié)構可以設置兩道抗震防線連梁為第一道防線,連粱的梁端在地震作用下會率先出現(xiàn)屈服,從而形成一系列的屈服區(qū),使結(jié)構吸收和耗掉地震大量的能量。墻肢為第二道防線,在連梁屈服以后,各個肢墻之間的聯(lián)系減弱,仍作為獨立的實體剪力墻協(xié)同工作。框架一剪力墻結(jié)構框架一剪力墻結(jié)構是由框架和剪力墻結(jié)構兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構組成的新的受力形式。這種結(jié)構是一種雙重抗側(cè)力體系,因為剪力墻的抗側(cè)剛度要比框架結(jié)構大的多,所以在地震作用下,樓層地震的總剪力大部分有剪力墻來承擔,而框架柱只承擔了其中一很小部分,因此第一道防線可以設置為剪力墻,地震作用下層問發(fā)生位移,剪力墻逐漸開裂而框架仍然保持彈性狀態(tài),剪力墻的抗側(cè)移剛度逐漸降低,一部分地震能量會轉(zhuǎn)移到框架柱上,從而使框架柱稱為第二道防線。砌體結(jié)構砌體結(jié)構是用磚砌體、石砌體或砌塊砌體建造的結(jié)構。由于砌體的抗壓強度較高而抗拉強度很低,因此,砌體結(jié)構構件主要承受軸心或小偏心壓力,而很少受拉或受彎。通常需要設置構造柱和圈梁,在結(jié)構受力初期,墻體會出現(xiàn)較小的裂縫,構造柱和圈梁也不會出現(xiàn)開裂。隨著墻體裂縫的不斷變大,變形也不斷變大構造柱和圈梁的約束作用就會表現(xiàn)出來,墻體會消耗掉大部分地震能量,因此可以認為是墻體為第一道防線,而構造柱和圈梁作為砌體結(jié)構的第二道防線出現(xiàn)。本章小結(jié)本章簡述了地震作用特點,地震作用的確定方法重點介紹了結(jié)構的設防標準以及多道防線詳細的闡述了不同結(jié)構的多道防線設置。山東建筑大學碩士學位論文第章有限元分析方法有限元分析的含義對于很多的實際工程問題,要想求得其解析解是非常困難的,為此,加在年提出了一種新的方法一有限單元法,利用這種方法解決實際工程變得不再困難。有限單元法是一種求解微分方程的近似方法,它將連續(xù)性的問題轉(zhuǎn)化為離散型的問題,將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解,實際上就是一種變相的等效替代方法。有限元方法的基本原理有限元的核心思想是結(jié)構的離散化,就是將實際結(jié)構假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體,在求解實際結(jié)構的未知量時,通過對各個離散的單元體進行分析,用這些離散體的分析結(jié)果來反應實際結(jié)構的情況,從而解決實際結(jié)構中那些繁瑣而有麻煩的實際問題。首先是將連續(xù)體離散為一組有限個按一定方式連結(jié)在一起的單元組合體,假定成為各個單元之間僅僅是以節(jié)點連接,把節(jié)點的位移作為基本的未知量,以單元的節(jié)點位移來確定單元的位移函數(shù),建立應變分量與位移分量之間的幾何關系、應力與應變之間的本構關系。通過建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系,從而確定單元剛度矩陣,求得連續(xù)體節(jié)點位移,再通過各個單元上的節(jié)點位移值即可得到各種待求物理量,如應力、應變。有限元軟件中的對象和單元的建立模型的過程實際上就是一個反復的增加對象的過程,這些對象要盡量與實際構件一致。在運行分析時,軟件會自動的將定義的各個對象的屬性轉(zhuǎn)化為離散單元的計算數(shù)據(jù),此時建立的計算模型實際上就是將結(jié)構屬性簡化而進行的一種分析。點對象點對象一般是在繪制線對象、面對象或者實體對象時自動的生成,它是組成其他單元的基本對象。點對象用來制定約束、彈簧、連接屬性、質(zhì)量、荷載、溫度等當然也可以獨立出現(xiàn)來模擬單個質(zhì)點。點對象包括節(jié)點對山東建筑大學碩士學位論文象和接地支座對象。線對象線對象一般用來模擬梁、柱、支撐等框架構件。線對象可以指定截面類型、端部位移、剛度修正、集中荷載、線荷載等屬性。本文模型中的框架梁柱就是要用框架單元來模擬。面對象主要分為板殼對象和二維實體對象主要用來模擬結(jié)構的板、墻、坡面等。面對象可以被指定截面類型、均布荷載、應變荷載、溫度荷載、風荷載等屬性。材料與截面中儲存了較為豐富的材料類型與單元類型。、材料定義材料定義是指定義賦予單位的材料屬性,是計算構件的基本屬性數(shù)據(jù)。用戶可以賦予多個不同類型的單元,并且這些不同的屬性可以用于多種不同的計算,應用非常靈活。同時,也可以定義各向正交異性、各向同性以及單軸應力的材料。對材料的屬性進行數(shù)據(jù)定義,包括材料的名稱、材料的類型、材料的對稱類型,各種材料對應其唯一的彈性模量、重量密度、質(zhì)量密度、泊松比、熱膨脹系數(shù),根據(jù)各種材料彈性模量與剪切模量不同的關系,確定材料的剪切模量,根據(jù)實際情況還可以定義材料的非線性數(shù)據(jù)、材料阻尼屬性、基于時間的屬性以及熱屬性。、截面定義在系統(tǒng)中,對于截面的定義囊括了幾乎實際工程中出現(xiàn)的所有的截面形式。而對于那行不標準構件截面的定義也完全可以通過截面設計器進行自行定義。其中各個構件的指標數(shù)據(jù)完全是根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范進行設定的。在截面的屬性定義中包含了對框架截面、鋼束截面、索截面、實際截面的定義,在選擇合適的截面的同時,要勾選與截面相對應的材料類型,這樣才能更好的反應實際情況。分析的實現(xiàn)方法分析方法的基本概念分析方法實際上就是對結(jié)構施加靜力荷載而進行的一種非線性分山東建筑大學碩士學位論文析方法,該方法在使用過程中表現(xiàn)出了它的優(yōu)勢,首先,其采用的反應譜分析方法【區(qū)別與一直一來的彈塑性時稱分析另外,其采用了很直觀的分析原理和簡單宜行的操作方法,這要比動力的分析方法簡單的多。方法的早期形成其實是“能力譜方法”【,基于地震中各個構件承擔能量不同的分布原理,將實際工程中出現(xiàn)的多自由度體系的結(jié)構進行轉(zhuǎn)化,用最簡單的單自由度體系進行替代?！澳芰ψV方法”主要包括兩方面的內(nèi)容計算結(jié)構的能力曲線靜力彈塑性分析、計算結(jié)構的目標位移和結(jié)果的評價。前者的主要內(nèi)容就是逐步施加靜力荷載作用下對于結(jié)構模型的彈塑性分析后者的主要內(nèi)容就是采用什么合理的方法來反應結(jié)構在水平地震作用下的實際情況。目前主要有采用能力譜方法,推薦的目標位移法,以及前兩種方法改進版的等效線性化和位移修正法,當進行計算分析時,我們可以根據(jù)自己的需要選擇合適的方法。在我國,應用最為廣泛的是能離譜方法。本文主要利用方法來確定結(jié)構和構件的非線性變形,即構件塑性鉸出現(xiàn)位置和數(shù)序的確定。分析的基本思路、分析方法實際上就是逐步加載的方法,在結(jié)構力學中就經(jīng)常用逐步加載的方法來分析結(jié)構的極限狀態(tài)。下面用一個簡單的例子來描述如下圖連續(xù)梁各跨相同,極限彎矩,當從零逐步增加時,各處彎矩同比例增加,當/時,彎矩分布當增至/時,彎矩分布山東建筑大學碩士學位論文當繼續(xù)增加時,各處彎矩同比例增加,直到增至下圖狀態(tài),此時處出現(xiàn)塑性鉸。當達到/時當從/繼續(xù)逐步增加時,處彎矩保持,點以左各截面彎矩仍然變化,直到點彎矩達到極限彎矩,并出現(xiàn)塑性鉸此時整個結(jié)構也成為機構而潰倒。結(jié)構極限狀態(tài)的彎矩此時/、方法中的地震作用分布模式根據(jù)荷載分布形式與實際情況相符合的原則,荷載逐漸從加載,分析地震作用下塑性鉸變化。下面用一個簡單的框架來說明一,山東建筑大學碩士學位論文相當于度強的地震時,相當于度及更小的地震時,整個框架全部彈性受力出現(xiàn)第一批塑性鉸,相當于度強的地震蚓達到度強的地震時出現(xiàn)第批塑性鉸出現(xiàn)第二批塑性鉸一繼續(xù)加載,直至推倒。弄清整個受載屈服過程通過整個的推覆過程弄清楚了整個框架的能力大小。其實,結(jié)構中都應該允許某些屈服結(jié)構,一是屈服機構應該出現(xiàn)在適當?shù)奈恢?而就是屈服部位應該能夠出現(xiàn)較大的塑性變形。分析分析主要分為兩個部分,一個是建立側(cè)向荷載作用下的結(jié)構荷載位移曲線圖一個是對結(jié)構抗震能力的評估。、建立側(cè)向荷載作用下的結(jié)構荷載位移曲線確定側(cè)向荷載作用下的結(jié)構荷載位移曲線分為以下幾個步驟首先是要確定結(jié)構的計算模型,然后利用定義的實際數(shù)據(jù)根據(jù)有關公式計算并驗算結(jié)構構件承受壓力、軸力、剪力、彎矩等的能力,根據(jù)構件的應力應變曲線確定其彈性情況山東建筑大學碩士學位論文以及構件在達到性能點后其開裂情況和屈服機制【,然后利用各層的地震剪力檢驗結(jié)構在逐步加載情況下側(cè)向剛度和層間位移角的變化,最后確定結(jié)構的承載能力曲線。分析的結(jié)果是結(jié)構的荷載位移曲線,它表示的是側(cè)向總剪力與頂點側(cè)向位移的關系。下圖表征的是理想的荷載位移曲線側(cè)向總剪力頂點側(cè)化移圖結(jié)構荷載一位移曲線從圖中可以清楚的看出,在側(cè)向力作用下,結(jié)構的變形經(jīng)歷了幾個階段從點開始,隨著側(cè)向地震剪力的增大,位移隨著增大,當撤去施加的力后,這種變形會彈性恢復,這一階段屬于彈性的變形階段從點到點,隨著地震剪力的增大,位移也隨著增大,但是當撤去施加的荷載后,位移也會恢復但是并不能恢復到開始的點,這一階段屬于非線性的變形階段從點開始直到點,結(jié)構地震剪力減小,說明其承受地震剪力的能力有了很大的變化,位移仍在變大直至結(jié)構破壞,這一階段屬于失穩(wěn)階段。從圖可以看出荷載位移曲線的本質(zhì)就是表征結(jié)構的頂點位移隨著地震側(cè)向總剪力的變化情況,同時,這條曲線也很好的說明了規(guī)范規(guī)定的抗震設防標準。、結(jié)構抗震能力的評估目前存在很多結(jié)構抗震能力的評估方法【冽,下面列出的是經(jīng)常采用的幾種方法根據(jù)結(jié)構承載力曲線上的地震剪力確定結(jié)構層問的位移角,并檢驗是否滿山東建筑大學碩士學位論文足規(guī)范規(guī)定的容許層間位移角。用層承載力曲線相應的恢復力模型,按照時稱分析校核非線性層間變形是否符合規(guī)范限制的要求。利用需求譜與能離譜曲線得到的交匯點的位移值,同各個目標的位移進行比較分析,從而檢驗是否滿足規(guī)范規(guī)定的彈性變形驗算的要求。通過分析得到的荷載位移曲線并不能立即將曲線上的某一點定為目標位移,并與規(guī)范中的容許變形值進行比較。通常需要進行一系列的轉(zhuǎn)化處理,最常用的兩種處理方法是能力譜法和目標位移法。本章小結(jié)本章簡要的介紹了現(xiàn)代應用有限元對結(jié)構進行分析的原理以及利用有限元分析軟件中如何利用點線面對象來確定點線面單元來確定結(jié)構的分析模型重點介紹中利用分析通過逐步加載的方式來分析構