对我国7度0.10g区框架结构抗震措施有效性的再评价

摘要

我国抗震规范未遵循R-μ基本规律，采用相同的R值,但抗震措施从9度区到7度区逐级下降，现行规范对7度0.10g区框架结构所采取的抗震措施是否有效，目前所作的研究工作不多，而该烈度区在全国范围内所占的面积比例较大，因此对该烈度区框架结构抗震措施的有效性进行评价是非常有必要的。此外，不同的结构分析程序所用的基本假定和计算方法有所不同，地面运动记录选择和标定方法的不同使得输入结构的地面运动不同，这些都会导致分析结果有所差异。为此，本文利用PERFROM-3D程序对7度0.10g区框架结构进行非线性动力时程分析，根据结构的预测响应结果重新评价我国现行规范对该烈度区框架结构所采取抗震措施的有效性。
　　在对结构进行非线性动力反应分析时，阻尼是重要的输入参数，对结构动力分析结果的可靠性和精度有很大的影响，在阻尼比取值和阻尼模型选用方面需谨慎。此外，地面运动记录的输入，对结构反应有重要影响，因此选择合适的地面运动记录是为合理预测结构地震响应而进行动力时程反应分析的前提。
　　基于以上思路，本文主要完成了以下分析研究工作：
　　①简要介绍了建筑结构的阻尼机理，归纳总结了国内外对阻尼的量测结果以及各国在结构设计和评价时所用的阻尼比，并参考近期有影响力的学术报告，对结构设计和分析中阻尼比的合理选取提出了建议。在国内外现有研究成果的基础上，总结了瑞雷阻尼和模态阻尼用于非线性分析时不同的表达方式以及对结构造成的影响。
　　②用 PERFORM-3D程序对两个结构模型分别进行了地面运动输入下的非线性动力反应分析，通过改变结构的阻尼比、采用不同的阻尼模型考察了这两个因素对结构位移的影响。
　　③参考中美两国常用的地面运动记录选择方法，分析了美国较广泛应用的一致风险反应谱和条件均值反应谱应用于中国的可行性。结合本文实际情况，对7度0.10g区四个场点通过概率地震危险性分析获得四条一致风险反应谱，并与中国规范反应谱做了比较，以此确定拟合地面运动记录所用的目标谱。
　　④严格按照现行抗震规范针对7度0.10g区设计了一个典型空间框架，选择7组地面运动记录，利用三维空间非线性分析程序PERFORM-3D对结构进行罕遇水准双向地面运动输入下的非线性动力反应分析，根据结构的反应状态评价现行规范对7度0.10g区框架结构所采取抗震措施的有效性。
　　以上分析研究工作所得的成果和结论如下：
　　①建议对普通钢筋混凝土结构进行设计时仍然采用5％这一传统阻尼比；在对结构进行非线性分析时，对于不超过30层的建筑物，建议混凝土体系的阻尼比取值不超过4%，钢结构体系的阻尼比取值不超过2%，对于超过30层的建筑物，建议钢筋混凝土体系的阻尼比取值为1%~3%，钢结构体系的阻尼比取值为0.5%~2%。结构进入非线性阶段后，采用基于初始刚度的瑞雷阻尼会高估阻尼以致影响分析结果，如果分析软件采用该方法形成瑞雷阻尼，建议采用瑞雷阻尼和模态阻尼的混合模型。
　　②阻尼比取值对结构影响显著，阻尼模型对层数较少的结构影响不大但对高层建筑有着不可忽略的影响。
　　③四条一致风险反应谱的均值谱与中国规范反应谱在 T1~1.5T1这一周期段相差不是很大，确定以中国规范反应谱作为目标谱来拟合地面运动记录。最终采用基于目标谱的地面运动记录选择方法，所选用的实际地面运动记录的反应谱与目标谱尽可能接近，尤其是在对结构有重要影响的周期段，该周期范围选为T1~1.5T1（T1为结构弹性基本周期）。
　　④所分析结构经过合成的、沿空间任意方向的最大层间位移角，均未超过我国现行抗震规范所规定的的弹塑性层间位移角限值，结构整体塑性变形不是很大。结构在罕遇地震下未形成理想梁铰机制，柱铰数量依然高于梁铰数量，但是与现有的试验结果对比，柱端的最大转角延性需求较低，还没有达到使柱端严重破坏的地步，估计距混凝土压溃尚有不算太小的裕量。梁端损伤较轻，只会部分减弱该楼层的水平承载能力和抗侧刚度。所以从局部反应来看，已经进入塑性变形的杆件，均没有达到严重破坏的状态，不会给整个结构的抗震安全带来直接危害。综上所述，该模型在罕遇地震下抗震性能较好，可以认为现行规范对7度0.10g区钢筋混凝土框架结构所采取的抗震措施是有效的。只是7组地面运动输入下底层柱底几乎全部出铰，可以考虑把柱底的抗弯能力适当提高。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 本文的研究背景

1.3 本文的主要内容

2 对有关阻尼问题的简要评述

2.1 建筑结构的阻尼机理

2.2 建筑结构阻尼比实测数据及分析

2.3 对设计和评价中使用的阻尼比的调查

2.4 对阻尼比取值的建议

2.5 常用的阻尼模型

2.6 PERFORM-3D程序采用的阻尼模型

2.7 通过算例分析考察阻尼比和阻尼模型对结构反应的影响

2.8 本章小结

3 算例设计以及弹塑性模型建立

3.1 算例设计

3.2 本文算例所用的弹塑性模型

3.3 弹塑性模型的建立

4 地面运动记录的选择和输入

4.1 地面运动强度指标

4.2 常用的目标谱

4.3 常用的地面运动记录选择方法

4.4 选取地面运动记录的基本思路

4.5 本文所用的地面运动记录选择思路

4.6 本文所用的地面运动记录标定方法

4.7 本文所选取的地面运动记录

4.8 地面运动记录的输入

5 非线性动力反应分析结果

5.1 层间位移角

5.2 最大顶点位移

5.3 框架梁塑性铰分布及转角延性需求

5.4 框架柱反应

5.5 综合评价本文算例在罕遇地震下的抗震性能

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 对后续研究工作的展望

7 体 会

致谢

参考文献

附录

A 框架梁、框架柱实配钢筋信息

B 一致风险反应谱计算思路

C 本文所用7组地面运动记录的加速度

D 梁铰分布及转角延性需求

E 框架柱角部钢筋纤维拉应变

F 柱端塑性铰分布及转角延性需求