框架結構動力彈塑性分析

1、第36卷第15期36No.15山西建筑Vol.2010年5月May.2010SHANXIARCHITECTURE文章編號:100926825(2010)152005720357框架結構動力彈塑性分析杜紅旭張華摘要:結合一5層框架結構,介紹了動力彈塑性分析的基本原理和實施的關鍵步驟,運用Midas軟件進行了分析,對一般框架結構罕遇地震作用下的抗震性能作出合理的評價,以指導工程實踐。關鍵詞:框架結構,彈塑性,塑性鉸中圖分類號:TU313文獻標識碼:A近年來,隨著大量復雜高層建筑的涌現(xiàn),以及越來越多的震害事故證明了對建(構)筑物進行彈塑性分析設計的必要性,很多國家已經(jīng)制訂了相應的設計規(guī)范或標準1?；?/p>

2、于“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準設防和二階段設計方法,GB5001122001建筑抗震設計規(guī)范和JGJ322002高層建筑混凝土結構技術規(guī)程對某些類型的建筑規(guī)定了彈塑性變形驗算的強制性或非強制性要求。完全采用彈性理論進行結構分析設計已經(jīng)難以滿足纖維進行受彎加固時設置U形箍的建議:5效果不理想,隨著U根據(jù)試驗結果,U10;,破壞多發(fā)生在加載點附近(),因此在剪力和彎矩較大區(qū)域設置U形箍是十分必要的。以上研究都是針對有機膠粘貼碳纖維布的附加錨固措施的研究,這些研究為進一步完善U形箍錨固措施提供了重要的試驗和理論依據(jù)。要求,彈塑性分析是解決結構在罕遇地震作用下延性分析的重要方法之一,對結構

3、進行彈塑性分析得到越來越多的應用2。1彈塑性分析方法3,是基于美國的FEMA2273ATC240和“承載力譜法”。2:1葉列平,方團卿,楊勇新.碳纖維布在混凝土梁受彎構件加固中抗剝離性能的試驗研究J.建筑結構,2003,33(2):61265.2楊勇新,岳清瑞.碳纖維與混凝土粘結性能的試驗研究J.建筑結構學報,2001,22(3):36241.3歐陽煜,錢在茲.粘貼片材加固混凝土梁的端部剝離應力分析J.建筑結構,2000,30(8):51253.4ZhiShenWu,JunYin.FracturingBehavioursofFRP2Strength2enedConcreteStructures

4、J.EngineeringFractureMechanics,2003(9):133921355.5J.G.Teng,S.T.Smith.Intermediatecrack2induceddebondinginRCBeamsandSlabsJ.ConstructionandBuildingMateri2als,2003(17):4472462.6陣瑜,關建光,徐福泉.碳纖維布加固混凝土構件的粘貼構造與錨固技術J.建筑科學,2000,16(6):34237.7CECS1462003,碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程S.8葉列平,方團卿,楊勇新,等.CFRP布在混凝土梁受彎加固中抗剝離性能的試驗研

5、究A.高性能纖維增強復合材料在土木工程中應用的基礎研究論文集C.2007:3372349.9于天來.碳纖維加固鋼筋混凝土梁性能研究D.哈爾濱:東北林業(yè)大學博士學位論文,2005.4防止界面剝離破壞的構造措施7碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程中第4.3.8條和第4.3.9條規(guī)定了防止碳纖維剝離的構造措施。但這些錨固措施除粘結錨固長度有明確計算外,其余僅是一些構造性規(guī)定和建議。5無機膠粘貼碳纖維布抗彎加固鋼筋混凝土梁附加錨固措施的建議1)對梁、板正彎矩區(qū)進行受彎加固時,碳纖維片材宜延伸至支座邊緣。在集中荷載作用點兩側宜設置構造的碳纖維片材U形箍或橫向壓條。針對本次試驗中的試驗梁,由于試驗梁多在靠近

6、加載點處最先發(fā)生破壞,建議在靠近加載點處純彎段內(nèi)設置兩附加U形箍;2)在剪力和彎矩較大處及有突變處設置U形箍;3)U形箍應在粘結延伸長度范圍均勻設置,U形箍凈間距不大于梁高的1/4,高度不小于梁高的1/2,每道U形箍量不小于梁底CFRP加固量的1/2;4)U形箍寬度最好在10cm以上。Theexperimentalresearchofthestrengtheningandbending2resistmeasuresforadditionalanchorbypastingCFSwithinorganicglueYANGLi2luanAbstract:Itstudiestwopiecesofrei

7、nforcedconcretebeamswhicharestrengthenedbypastingCFSwithinorganicglue.Basedontheresultoftheexperiment,andcombiningwithpreviousresearches,itproposesthestrengtheningandbending2resistmeasuresforadditionalanchorbypastingCFSwithinorganicglue,inthehopeofimprovethestrengtheningeffectofCFS.Keywords:CFS,rein

8、forcedconcretebeams,inorganicglue,strengthening,measureofadditionalanchor收稿日期:2010201225作者簡介:杜紅旭(19702),男,工程師,河南省神火煤電股份有限公司,河南永城476600張華(19732),男,工程師,河南神火建筑安裝工程有限公司,河南永城47660058第36卷第15期山2010年5月西建筑(1)M¨x(t)+C x(t)+Kx(t)=f(t)其中,M為質量矩陣;C為比例阻尼矩陣;K為剛度矩陣;¨x(t), x(t),x(t)分別為t時間步內(nèi)加速度向量、速度向量和位移向量。結

9、構彈塑性動力時程分析是將建筑物作為彈塑性振動系統(tǒng),直接輸入地面地震加速度記錄4,對運動方程直接積分,從而獲得計算系統(tǒng)各質點的位移、速度、加速度和結構構件地震剪力的時程變化曲線。通過計算還可以分析出結構的薄弱層和構件塑性鉸位置。所以這種分析方法能更準確而完整地反映結構在強烈地震作用下的變形特性,是改善結構抗震能力、提高抗震設計水平的一項重要措施。彈塑性動力分析步驟如下:1)建立整體結構模型;2)定義材料的本構關系,通過對各個構件指定相應的單元類型和材料類型確定結構動力響應的各參數(shù);3)施加恒、活荷載等豎向荷載值以及風等橫向荷載;4)輸入適合本場地的地震波;5)定義模型的邊界條件;6)計算,并對結

10、果進行評定。能夠滿足計算要求。4實例分析某5層鋼筋混凝土框架結構,層高3.3m,跨度6m,每層6個開間,每個開間3.9m,框架柱為500mm×500mm,框架梁分別為250mm×600mm,250mm×400mm,連梁采用250mm×400mm,250mm×300mm兩種交替布置,如圖1所示。樓面恒荷載3.5kN/m,活荷載2.5kN/m2,屋面恒載1.5kN/m2,活荷載1.5kN/m2。本工程分別選用EL2centro波、Maxcit波、Taft波施加在結構上,按照特征周期Tg=0.35s,8度(0.2g)罕遇地震(大震)作用下峰值加速度的

11、取值采用400gal,震動持續(xù)時間20s。運用有限元軟件Midas進行計算分析,Midas的加載模式有三種方式:靜力加載、加速度常量、模態(tài)方式7。本例中采用了模態(tài)加載方式,選擇第一模態(tài)方式加載。本文對結構進行彈塑性時程分析,梁、,混凝土材料受壓對于梁單元,一般僅考慮彎,2Mz;對柱單元,考慮由軸,PMM型。塑性鉸。2能力譜及需求譜曲線的確定能力譜曲線是通過靜力推覆分析方法得到的,結構,需要按一定的變形模式(通常為基本振型)等效化為單自由度體系,態(tài)質量m轉化為譜加速1<n1后轉換為譜位移D,5a=,D=1<n1m1(2)其中,m1為第一振型的等效模態(tài)質量,m1=nnm<21jj

12、j=1n;jjm<211為結構第一振型的等效參與系數(shù),1=nm<1jj,mj為j頂點jj=1m<12j的集中質量,<j1為第一振型j位置質點的振幅;<n1為第一振型在頂點的振型函數(shù)。需求譜曲線分為彈性和彈塑性兩種需求譜,對彈性需求譜,可以將典型(阻尼比為5%)加速度反應譜與位移譜畫在同一坐標系上,即將傳統(tǒng)反應譜SaT曲線轉化為用Sa作縱坐標和Sd作橫坐標的新譜線6,利用彈性單自由度體系在地震作用下運動方程的轉換關系由式(2)得到新的需求譜線。Sd=224經(jīng)計算分析后,得到性能點,根據(jù)性能點時的變形,對以下三個方面進行評價:1)頂點側移是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性頂

13、點位移限值。2)層間位移角是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值。3)構件的局部變形即指梁、柱等構件塑性鉸的變形,檢驗它是否超過建筑某一性能水準下的允許變形。通過計算,在罕遇地震作用下輸入EL2centro波時結構塑性鉸,計算得平均層間位移角為1/168,小于規(guī)范規(guī)定1/100限值,說明結構在8度(0.2g)罕遇地震作用下,結構整體能夠保持直立,即保證“大震不倒”,如果局部某個構件不滿足塑性限值要求,則需要局部加強,而不會改變整體結構的性能。5結語本文介紹了框架結構彈塑性分析的基本原理和方法,并結合一鋼筋混凝土框架結構進行了抗震性能分析。結果表明:1)pushover分析方法可以按照規(guī)范對

14、結構的抗震性能作出合理的評價,為實現(xiàn)基于性能的抗震設計提供了很好的計算方法。2)靜力彈塑性能夠較好的反映結構側向承載力的性能。3)從彈塑性鉸分布情況,可以判斷結構薄弱層所在。4)采用能力譜方法求出罕遇地震下結構的目標位移,為結構的延性設計提供可靠依據(jù)。5)該種結構形式的廠房在8度(0.2g)地區(qū),采取適當?shù)募訌姶胧?能夠滿足我國抗震設計三階段設計標準的要求。參考文獻:1劉學江,劉加進.大型水電站廠房上部結構彈塑性動力分析J.水力發(fā)電,2009(8):45248.2堯國皇,黃用軍,宋寶東.鋼框架鋼筋混凝土核心筒結構的動力彈塑性分析J.深圳土木與建筑,2007(4):56259.3郭明,劉學軍.某

15、特大型站房的靜力彈塑性分析J.鐵道勘察,2008(4):1002102.Sa(3)其中,Sd為位移譜值;Sa為加速度譜值;T為自振周期。3地震波的選取地震波的選擇對計算結果的影響較大,不同的地震波分析的結果可能有較大的差別。應使輸入的地震波在頻譜特征性、有效峰值和持續(xù)時間上與工程的實際條件相符。頻譜特征性由場地類別和地震分組確定;有效峰值可按規(guī)范取值,要使每條記錄在統(tǒng)計意義上符合場地特征譜線;持續(xù)時間一般為結構基本周期的5倍10倍。一般選擇不少于符合場地類別和地震分組的兩組實際強震記錄和一組人工模擬加速度時程曲線,先進行彈性時程分析,若每條地震波計算得到的底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果

16、的65%,多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算的80%,可以認為選擇的地震波第36卷第15期36No.15山西建筑Vol.2010年5月May.2010SHANXIARCHITECTURE文章編號:100926825(2010)152005920259上海灘花園超限高層建筑初步設計許文耿柳摘要:針對上海灘花園中4棟超高層住宅的結構超限特點,采取了基于性能的抗震設計和比現(xiàn)行規(guī)范要求更為嚴格的抗震措施。采用SATWE,PMSAP程序對結構進行多遇地震作用下的計算,結果表明,本工程抗震性能較好,結構體系安全可行。關鍵詞:超高層住宅,抗震性能,水平位移,技術措施中圖分類號

17、:TU972文獻標識碼:A1概述本工程地面以上為8幢高層住宅及2幢多層會所。其中8幢高層結構形式為:A型26層框支剪力墻結構,B,C,D,K型34層剪力墻結構,E型18層框支剪力墻結構,F型22層框支剪力墻結構,G型20層框支剪力墻結構;2幢會所為多層框架結構。本工程設地下室1層(局部2層),將上述各單體連成一體。其中B,C,D型塔樓下地下2層為6防地下室(人員掩蔽所)。系數(shù)a0.120.2平均為0.13MPa-1,比貫入阻力Ps最小平均值為15.67MPa,屬中等低等壓縮性。該層作為塔樓樁基持力層。1青灰色粉細砂,但埋藏較深。2)地下水年0.50m,。434層塔樓下筏板厚度為122層塔樓下筏

18、板厚度為1200mm,26層塔樓下1500mm,其余部位地下室基礎底板厚度為800mm。本工程擬采用鉆孔灌注樁,高層塔樓下采用<800樁,樁長約45m,樁尖進入22層。單樁豎向承載力設計值約為3400kN。其余地下室部分采用<550抗拔樁,樁長約25m。單樁豎向上拔力設計值約為450kN。2抗震設防標準,設本地震加速度值為0.10g,建筑場地類別為類,場地特征周期Tg=0.90s,建筑抗震設防分類為丙類。本工程地下室按人防6級設防。5建筑結構布置和類型及超限情況1)結構體系見表1。表1結構體系類型BCDK高度/m99.099.0100100高寬比6.9高度級別A級

19、A級A級A結構體系剪力墻剪力墻剪力墻3擬建場地工程地質概況1)本工程基底土層自上而下依次為:3砂質粉土夾淤泥質粉質黏土,該層為液化層。淤泥質黏土。121灰色粉質黏土,壓縮系數(shù)a0.120.2平均為0.48MPa-1,比貫入阻力Ps最小平均值為0.80MPa,屬中等壓縮性。122灰色粉質黏土,壓縮系數(shù)a0.120.2平均為0.34MPa-1,比貫入阻力Ps最小平均值為1.58MPa,屬中等壓縮性。4灰綠色粉質黏土,壓縮系數(shù)a0.120.2平均為0.31MPa-1,屬中等壓縮性,厚度分布均勻。暗綠草黃色粉質黏土,壓縮系數(shù)a0.120.2平均為0.24MPa-1,比貫入阻力Ps最小平均值為2.88M

20、Pa,屬中等壓縮性。1灰黃灰色砂質粉土,壓縮系數(shù)a0.120.2平均為0.16MPa-1,比貫入阻力Ps最小平均值為8.11MPa,屬中等壓縮性。2灰黃灰色粉細砂,壓縮4彪仿俊,閻曉銘,陳志強,等.動力彈塑性時程分析的方法及其應用J.深圳土木與建筑,2006(1):26229.5李彥峰,徐巍.基于pushover分析的建筑結構抗震性能評價方法研究J.吉林勘察設計,2007(2):54255.2)各單體結構超限情況。B,C,D,K樓均為34層剪力墻結構,各樓平面寬度較窄,高寬比大于6,超出規(guī)范規(guī)定的該結構類型適用的最大高寬比要求。其中B樓南部軸軸房間凸出4.9m,超出建筑最大寬度(17.1m)的30%,C樓樓梯間凹入7.4m,超出建筑最大寬度(18.8m)的30%,D,