剪力墙结构和不同强度配筋的框架结构非弹性动力反应分析

摘要

2010版《混凝土结构设计规范》根据国家经济发展及技术进步水准，已把HRB400钢筋确认为主导钢筋品种；HRB335钢筋将逐步退出工程应用领域；同时,考虑到中国钢材消耗量大，铁矿资源相对贫乏的特点，从节约资源和国民经济可持续发展的角度，首次推出强度更高的HRB500钢筋。到目前为止，虽然已对使用HRB500钢筋的钢筋混凝土各类构件的基本性能做过一定的试验研究，但至今对使用HRB500钢筋的各类钢筋混凝土结构的抗震性能仍缺乏有效的分析研究成果。为弥补这一研究空缺，本学术团队曾有研究生对分别使用HRB500、HRB400、HRB335钢筋的钢筋混凝土框架结构做过初步的罕遇水准输入下非弹性动力反应分析对比，但其初步分析结果有待进一步核实，同时对使用3种钢筋的钢筋混凝土框架结构所形成的抗震性能反应特征也有待从理论上给予讨论与说明。因此，本论文第一部分将以8度0.3g区分别采用不同强度等级（HRB500、HRB400、HRB335）钢筋的3个三跨八层一级抗震等级的框架作为典型结构，在该设防烈度区多条罕遇水准地面运动输入下完成非弹性动力反应分析，并对其中表现出的规律做了进一步对比和研究；同时还对分别选用HRB500和HRB335钢筋的单自由度体系进行多波输入下的动力推覆时程反应分析对比。
　　通过上述分析对比工作，得出的主要结论是：随着纵筋强度等级的提高，在梁、柱混凝土截面尺寸不变的前提下，构件纵筋配筋率相应下降，且构件第二折线刚度相应降低。在非弹性动力反应过程中，从构件陆续进入第二折线刚度阶段开始，钢筋强度越高的配筋框架的侧向刚度下降越快，自振周期加长越多，地震反应下降幅度越大。同时，钢筋强度越高的配筋框架屈服位移相应越大。这两个因素相抵，使得罕遇水准地面运动输入下的3个典型框架结构进入屈服以后的顶点侧向位移值相差不大。由于钢筋强度越高的配筋构件要在更高的反应内力下屈服，故梁、柱端塑性铰形成相对较晚，塑性铰转动相对较小，即延性需求相对偏低。
　　上述分析还表明，结构构件开裂并进入第二折线刚度后，结构的动力反应特征就将相应发生变化。因此，在混凝土结构的非弹性动力反应分析中，合理确定各类构件截面的开裂弯矩和第二刚度，对所获得的非弹性动力反应分析结果具有重要意义。这一特征应在今后的各类非弹性动力反应分析方法中给予足够关注。
　　除此之外，由于到目前为止，国内有关学术团队，特别是重庆大学土木工程学院的有关团队，曾对严格按中国规范设计的钢筋混凝土框架结构、框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构做过在罕遇水准地面运动输入下的非弹性动力反应系列分析，但尚缺乏在我国各地高层住宅建筑中使用面最广的钢筋混凝土剪力墙结构的相关分析研究。为了弥补这一缺口，本论文第二部分从目前常用的这类结构中提取出经模型化处理后的典型结构单元，并按现行规范8度0.2g区二级抗震等级完成了采用这类典型结构单元的20层剪力墙结构的设计，其中墙肢采用细长连梁（跨高比>5.0）联接。在该设防烈度区多条罕遇水准地面运动输入下完成了对这一典型结构的非弹性动力反应分析。根据分析结果对其性能表现做了相对全面的评价。其中发现这类结构在多条罕遇水准地面运动输入下的性态反应相对稳定，抗震性能可以控制在预计的目标范围之内。多数地面运动输入下，结构的塑性变形部位主要分布在中下部楼层的细长连梁端部，此部分连梁刚度退化较严重；剪力墙肢底部原则上未进入屈服后状态，墙肢刚度退化不严重，因此结构整体刚度得到控制，侧向位移反应性态良好。但分析结果提请注意的是，在个别不利地面运动输入下，紧邻底部加强部位以上二至三层的部分连梁转角延性需求很大，很可能超过细长连梁的变形能力，使构件损坏严重。另外，在部分罕遇水准地面运动的激励下，中下部楼层或底部楼层剪力墙墙肢中的作用剪力与通过强剪弱弯措施所增大的组合剪力相比偏大较多，可能导致部分剪力墙肢的剪切失效。
　　除此之外，分析得出的剪力墙结构主要抗震性能还有：
　　①剪力墙结构在多条罕遇水准的地面运动激励下的各层侧移沿高度呈弯剪型分布。层间位移角沿楼层高度的分布规律是下部楼层略小，中下部楼层最大，上部楼层逐渐减小。非弹性有害层间位移角沿楼层的分布规律是中下部楼层较大，上部楼层逐渐减小。有害层间位移角大致在0.1％~0.3%，最大的有害层间位移角在大部分地面运动输入下出现在第二层。
　　②连梁的内力沿高度分布规律是下部楼层偏小，中下部楼层最大，上部楼层逐渐减小。这一规律与梁端塑性铰分布情况及其延性需求变化规律相符。各墙肢的剪力沿楼层分布规律是下部楼层偏小，中下部楼层最大，上部楼层更小。
　　③在个别罕遇水准地面运动作用下，紧邻底部加强部位上一层的墙肢出现屈服。这表明2010抗震规范第6.2.7条剪力墙底部加强部位以上各层组合弯矩乘以增大系数1.2的做法只适用于一级抗震等级剪力墙的规定可能范围过小，似应将其扩展到二级抗震等级剪力墙墙肢。
　　④由于所分析的剪力墙结构刚度退化不够严重，墙肢底部在罕遇水准地面运动输入下的作用剪力颇高。现行规范二级抗震等级剪力墙肢的剪力增强系数1.4远不能覆盖这种高作用剪力。这一点值得设计规范认真关注。

目录

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 高强钢筋在国内外的研究现状

1.3 剪力墙结构的抗震设计及本团队对这类结构的研究现状

1.4 本论文研究的主要内容

2 非弹性动力反应分析程序

2.1 程序的基本假定和及程序的考证

2.2 程序中单元的恢复力模型

2.3 地面运动记录的选取与标定

3 配置不同强度等级钢筋的混凝土框架结构非弹性动力反应

3.1 配置不同强度等级钢筋的混凝土框架结构设计

3.2 不同配筋框架结构的非弹性动力反应分析结果

3.3 结构的弹性与非弹性当量周期对比

3.4 本章结论

4 配置高强钢筋的单自由度结构的第二折线刚度退化问题

4.1 引言

4.2 单自由度体系模型的确定

4.3 滞回模型中各参数确定

4.4 对单自由度体系进行动力推覆反应分析

4.5 动力推覆反应结果比较

4.6 本章结论

5 钢筋混凝土墙结构非弹性地震反应规律研究

5.1 引言

5.2 联肢墙、洞口连梁的受力特征

5.3 连梁刚度变化对墙肢内力及侧向刚度的影响

5.4 剪力墙结构非弹性地震反应规律研究

5.5 本论文框架结构与剪力墙结构非弹性反应特征比较

5.6 本章结论

6 结论与展望

6.1 本论文主要结论

6.2 对后续研究工作的展望

致谢

参考文献

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附 录 B

附 录 C

附 录 D