基于強(qiáng)度折減系數(shù)的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)梁貫通式支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的研究,結(jié)構(gòu)工程論文

基于強(qiáng)度折減系數(shù)的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)梁貫通式支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的研究,結(jié)構(gòu)工程論文梁貫穿式支撐鋼框架體系是最近由同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行改良開發(fā)的一種新型工業(yè)化鋼構(gòu)造體系。該構(gòu)造體系的技術(shù)特點(diǎn)有：梁柱節(jié)點(diǎn)處保持梁通長(zhǎng)、柱分層，易于應(yīng)用分層裝配式工法進(jìn)行安裝；為便于預(yù)制墻板安裝，該體系采用高延性柔性支撐作為其主要的抗側(cè)力構(gòu)件；通過半剛性端板螺栓連接形式實(shí)現(xiàn)梁與柱、梁與梁、梁與屋架以及柱與基礎(chǔ)等的連接，同時(shí)作為除支撐外的備用抗震設(shè)防措施。整體模型試驗(yàn)表示清楚，該構(gòu)造延性優(yōu)，但柔性支撐的配置可能導(dǎo)致構(gòu)造具有明顯的滑移型滯回特性，耗能能力一般。對(duì)梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，成為該類構(gòu)造體系在我們國家推廣應(yīng)用的關(guān)鍵?；趶?qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方式方法主要考慮強(qiáng)震作用下構(gòu)造的塑性耗能，通過強(qiáng)度折減系數(shù)折減構(gòu)造在設(shè)防地震作用下的彈性地震作用，得出設(shè)計(jì)地震作用。因而強(qiáng)度折減系數(shù)是基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)中確定設(shè)計(jì)地震作用的關(guān)鍵參數(shù)。我們國家現(xiàn)行抗震規(guī)范隱含對(duì)不同材料的構(gòu)造體系采用單一的強(qiáng)度折減系數(shù)，沒有區(qū)分具有不同延性的構(gòu)造類型在設(shè)計(jì)地震作用取值上的差異不同，不能充分具體表現(xiàn)出鋼構(gòu)造延性在抗震設(shè)計(jì)安全性與經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，因而有必要對(duì)不同抗震鋼構(gòu)造體系的強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)這一問題，國內(nèi)外學(xué)者近年來已開展了相關(guān)研究工作。但針對(duì)梁貫穿式支撐鋼框架這一新型構(gòu)造體系，強(qiáng)度折減系數(shù)的研究當(dāng)前未見報(bào)道。本文將增量動(dòng)力分析〔incrementaldynamicanalysis,IDA〕和能力譜法〔capacityspectrummethod,CSM〕相結(jié)合，對(duì)典型梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造的強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行研究，旨在為抗震設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度折減系數(shù)的合理取值提供根據(jù)。強(qiáng)度折減系數(shù)的概念與計(jì)算方式方法。強(qiáng)度折減系數(shù)的概念強(qiáng)度折減系數(shù)指設(shè)防地震作用下構(gòu)造保持完全彈性所產(chǎn)生的基底剪力與一樣地震作用下考慮延性設(shè)計(jì)的構(gòu)造設(shè)計(jì)基底剪力之比。利用構(gòu)造的彈塑性變形能力，能夠使構(gòu)造的實(shí)際設(shè)計(jì)承載力比按構(gòu)造完全彈性反響要求的承載力偏低。在靜力荷載作用下，單自由度體系鋼框架的荷載-位移曲線如此圖1所示，包含彈性設(shè)計(jì)、實(shí)際彈塑性設(shè)計(jì)和理想彈塑性設(shè)計(jì)三種情況。圖中Ve、Vy和Vd分別為按彈性設(shè)計(jì)時(shí)的基底剪力、按彈塑性設(shè)計(jì)構(gòu)造委屈服從時(shí)的基底剪力和按規(guī)范設(shè)計(jì)所需的基底設(shè)計(jì)剪力；e、y和d圖1構(gòu)造反響曲線分別為與Ve、Vy和Vd對(duì)應(yīng)的位移。強(qiáng)度折減系數(shù)定義為：R=Ve/Vd〔1〕?；贗DA的強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算方式方法增量動(dòng)力分析〔IDA〕方式方法是將一條特定的地震動(dòng)轉(zhuǎn)化為一系列地震動(dòng)強(qiáng)度逐步增大的地震動(dòng)，輸入構(gòu)造進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，得到一系列構(gòu)造的彈塑性地震響應(yīng)指標(biāo)，也被稱為動(dòng)力推覆分析〔dynamicpushover〕方式方法。IDA能夠避免對(duì)不同側(cè)力形式推覆分析結(jié)果的合理性進(jìn)行評(píng)估，而將構(gòu)造在地震作用下的滯回規(guī)則引入到抗震能力評(píng)價(jià)中，還能夠考慮構(gòu)造抗震需求和能力的不確定性和隨機(jī)性因素。美國FEMA350,FEMA351中采用IDA對(duì)構(gòu)造整體抗倒塌能力進(jìn)行評(píng)估。本文采用IDA計(jì)算強(qiáng)度折減系數(shù)主要步驟如下：1〕建立構(gòu)造分析模型，根據(jù)構(gòu)造特性、場(chǎng)地類別等選擇地震記錄，將地震記錄通過調(diào)幅擴(kuò)展為一組地震動(dòng)記錄，進(jìn)而對(duì)構(gòu)造進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析得到基底剪力-頂點(diǎn)位移〔V-〕的關(guān)系。2〕根據(jù)多條地震記錄鼓勵(lì)下構(gòu)造的V-關(guān)系，得到擬合曲線。建立構(gòu)造的等效單自由度體系，參考Peter提出的非線性推覆分析方式方法中的轉(zhuǎn)換方式，基于考慮前兩階振型對(duì)構(gòu)造進(jìn)行等效單自由度體系簡(jiǎn)化的方式方法，將以上基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線轉(zhuǎn)換為構(gòu)造的能力譜曲線。3〕根據(jù)抗震設(shè)防烈度和場(chǎng)地類別，參考強(qiáng)度折減系數(shù)R-目的延性-周期T取值規(guī)則〔式〔2〕〕，建立構(gòu)造對(duì)應(yīng)不同延性系數(shù)的需求譜曲線。4〕比擬2〕得到的構(gòu)造能力譜曲線和3〕得到的一簇需求譜曲線，確定相應(yīng)等效單自由度構(gòu)造的性能點(diǎn)。將等效單自由度體系的基底剪力和頂點(diǎn)位移等效復(fù)原為原型構(gòu)造的基底剪力和頂點(diǎn)位移。5〕根據(jù)4〕中原型構(gòu)造委屈服從時(shí)的位移和彈性剛度，計(jì)算彈性設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)造需求的基底剪力Ve;根據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算構(gòu)造設(shè)計(jì)基底剪力Vd.6〕計(jì)算構(gòu)造在給定抗震設(shè)計(jì)條件下的強(qiáng)度折減系數(shù)R=Ve/Vd.梁貫穿式支撐鋼框架的強(qiáng)度折減系數(shù)分析。構(gòu)造分析模型針對(duì)梁貫穿式支撐鋼框架在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)支撐與柱常用的兩種不同配置比例及布置方式，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了平面構(gòu)造有限元分析模型進(jìn)行分析，編號(hào)分別為模型CASE1和模型CASE2,如此圖2所示。選取纖維模型桿單元〔B31〕模擬梁和柱，其鋼材本構(gòu)模型采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型和vonMises委屈服從準(zhǔn)則，并假定塑性段切線模量為彈性模量的1/100.選取三維二節(jié)點(diǎn)桁架單元〔T3D2〕模擬柔性支撐，其受壓時(shí)退出工作的特性，通過設(shè)置只拉不壓的鋼材本構(gòu)模型間接實(shí)現(xiàn)?！瞐〕模型CASE1〔b〕模型CASE2個(gè)模型的構(gòu)件截面尺寸完全一樣，但模型CASE1與模型CASE2的一層與二層支撐配置比例分別為3∶1和2∶1.在設(shè)計(jì)截面尺寸時(shí)，考慮抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第二組，Ⅱ類場(chǎng)地。屋面恒荷載為1.5kN/m2,活荷載為0.5kN/m2;樓面恒荷載4.3kN/m2,樓面活荷載為2.0kN/m2;外墻恒荷載0.6kN/m2,基本風(fēng)壓0.45kN/m2.采用Q235B鋼。一層和二層框架梁截面分別為H3001504.56和H2001504.56,框架柱截面為□804,支撐的扁鋼截面為-504.對(duì)構(gòu)造整體模型試驗(yàn)的數(shù)值模擬表示清楚，梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置為半剛性連接時(shí)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的構(gòu)造滯回響應(yīng)最為接近，因而，方鋼管柱與貫穿H形梁全螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)在構(gòu)造有限元分析模型中設(shè)為半剛接，采用彈簧連接單元〔SPRING〕并根據(jù)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果〔圖3〕定義非線性本構(gòu)關(guān)系實(shí)現(xiàn)。柱腳為剛性約束。增量動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果考慮到地震頻譜特性和持時(shí)對(duì)構(gòu)造性能的影響，選取了10條天然地震記錄〔表1〕對(duì)模型構(gòu)造進(jìn)行了IDA,得到頂層位移時(shí)程和基底剪力時(shí)程，并提取基底剪力和頂層最大位移，如此圖4所示。由圖4能夠看出，頂層最大位移因地震作用的不同相差較大，而基底剪力的離散程度比頂層最大位移小。頂層最大位移超過100mm之后，基底剪力趨于穩(wěn)定。從彈性階段IDA來看，不同地震作用下抗側(cè)剛度接近。對(duì)計(jì)算得到的基底剪力-頂點(diǎn)位移數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并采用基于能量平衡的雙折線進(jìn)行等效，見圖5,模型CASE1和模型CASE2結(jié)果的離散度分別到達(dá)0.957和0.961.對(duì)圖5的等效雙線性能力曲線分析，得到構(gòu)造的初期抗側(cè)剛度K、等效委屈服從的基底剪力Vy和頂點(diǎn)位移分別為：模型CASE1K1=5.9506kN/mm,Vy1=87.471kN,1=14.699mm;模型CASE2K2=4.6299kN/mm,Vy2=64.982kN,2=14.035mm.能力譜法確定構(gòu)造性能點(diǎn)采用能力譜法〔CSM〕確定構(gòu)造性能點(diǎn),即可得到構(gòu)造能力譜和需求譜曲線的交點(diǎn)，如此圖6所示。需要講明的是，圖6中的能力譜是經(jīng)過單自由度體系等效后的A-D格式能力譜。為表示清楚，圖6中僅給出了包含性能點(diǎn)位置的曲線部分，Sd大于50mm的曲線未列出。彈塑性需求譜列出了從=1.0~3.0〔為構(gòu)造需求的目的延性系數(shù)〕之間一簇共8條需求譜，適用于抗震設(shè)防烈度7度，Ⅱ類場(chǎng)地，地震分組第二組，設(shè)防烈度水平地震影響系數(shù)為0.23,阻尼比=0.05,對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地特征周期Tg=0.40s.基于Vidic提出的R--T取值規(guī)則經(jīng)屢次迭代計(jì)算后得到等效單自由度體系的性能點(diǎn)分別為：〔a〕模型CASE1〔b〕模型CASE2.通過等效可轉(zhuǎn)化為原型多自由度體系的性能點(diǎn)為Sd=eqSd,即模型CASE1,Sd=1.55512.516=19.462mm;模型CASE2,Sd=1.41314.862=21.000mm.華而不實(shí)eq為構(gòu)造等效振型的振型介入系數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)建議為計(jì)算構(gòu)造抗震設(shè)計(jì)的強(qiáng)度折減系數(shù)，需得到根據(jù)設(shè)防烈度彈性設(shè)計(jì)的基底剪力Ve和根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范多遇地震設(shè)計(jì)的基底剪力Vd.為此，強(qiáng)度折減系數(shù)按式〔3〕計(jì)算。模型CASE1和模型CASE2根據(jù)設(shè)防烈度〔7度〕彈性設(shè)計(jì)的基底剪力為：模型CASE1,Ve1=115.811kN,模型CASE2,Ve2=97.228kN.模型CASE1和模型CASE2按現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范多遇地震設(shè)計(jì)的基底剪力Vd能夠通過底部剪力法計(jì)算為：Vd1=Vd2=38.36kN.從中能夠看出，對(duì)于模型CASE1,構(gòu)造超強(qiáng)系數(shù)在強(qiáng)度折減系數(shù)中所占的比例遠(yuǎn)大于延性折減系數(shù)所占的比例；而對(duì)于模型CASE2,兩者比擬接近。表示清楚支撐與框架柱的配置比例及布置方式對(duì)梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造強(qiáng)度折減系數(shù)、延性折減系數(shù)及其構(gòu)造超強(qiáng)系數(shù)均產(chǎn)生影響。關(guān)于強(qiáng)度折減系數(shù)用于梁貫穿式支撐鋼框架抗震設(shè)計(jì)的討論GB50011-2018(建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范〕沒有給出強(qiáng)度折減系數(shù)的概念，但隱含了在7度〔0.1g〕抗震設(shè)防區(qū)的設(shè)防地震作用取值到多遇地震設(shè)計(jì)地震作用的強(qiáng)度折減系數(shù)近似為2.87.假如以現(xiàn)行規(guī)范為基準(zhǔn)進(jìn)行比擬能夠看出，梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造〔模型CASE1〕的強(qiáng)度折減系數(shù)比現(xiàn)行規(guī)范隱含的強(qiáng)度折減系數(shù)取值偏大，而梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造〔模型CASE2〕的強(qiáng)度折減系數(shù)取值偏小，但總體相差不大。因而，針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)該類構(gòu)造體系進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)取RM,則模型CASE1,RM1=3.02/2.86=1.06,模型CASE2,RM2=2.54/2.86=0.89.對(duì)模型CASE1進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可按現(xiàn)行規(guī)范確定的設(shè)計(jì)地震作用水準(zhǔn)或做微小折減；當(dāng)對(duì)CASE2構(gòu)造體系進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，按現(xiàn)行規(guī)范確定的設(shè)計(jì)地震作用水準(zhǔn)略低，應(yīng)予以適當(dāng)放大，放大系數(shù)約為1.12〔=1/0.89〕。結(jié)論1〕支撐與框架柱的配置比例及布置方式會(huì)對(duì)梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造強(qiáng)度折減系數(shù)、延性折減系數(shù)及其構(gòu)造超強(qiáng)系數(shù)產(chǎn)生影響。2〕適用于7度設(shè)防烈度的兩類典型構(gòu)造布置〔CASE1和CASE2〕梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造體系的強(qiáng)度折減系數(shù)可分別取為3.02和2.54.3〕建議了梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造體系考慮強(qiáng)度折減系數(shù)并基于我們國家現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的地震作用取值范圍。以下為參考文獻(xiàn)[1]王偉，陳以一，余亞超，等。分層裝配式支撐鋼構(gòu)造工業(yè)化建筑體系[J].建筑構(gòu)造，2020,42〔10〕:48-52.[