框架结构地震水准与非弹性变形关系及框架—剪力墙超强特征分析

摘要

到目前为止，国内外研究者已对单一塑性铰单自由度体系的不同抗震承载力设计用地震作用水准R与体系反应延性需求m的关系作了大量研究，并得出了类似的结论。同时，多数国家制定抗震设计规范有关规定时也或直接或隐含地引用了基于单一塑性铰单自由度体系的Rm-基本规律，但由于实际结构大部分属于多次超静定多自由度体系，不少研究者也试图把单一塑性铰单自由度体系R与m之间近似线性的规律不加改造地推广应用到实际多次超静定多自由度体系中，但因多次超静定多自由度体系受塑性机构类型、结构体系超强及多振型模态反应特征等一系列因素的影响，其非弹性动力反应特征相对较为复杂，设计用地震作用水准与体系反应延性的基本定义及二者之间的定量关系可能与单一塑性铰单自由度体系存在本质的不同。因此，要找到多次超静定多自由度体系中二者之间的对应关系就比较困难。近年来虽有少数研究成果，但仅仅停留在对单一塑性铰单自由度体系研究成果的修正上，而对不同R取值下结构整体变形、各层层间位移及构件端部塑性铰转动三个层面的延性需求m的具体规律至今尚未见有较为深入的分析研究结果。鉴于罕遇地震水准下的抗震验算已经逐渐成为验证新一代抗震思路的核心手段，故有必要对采用不同地震作用水准设计的实际结构在罕遇地震下的非弹性动力反应规律进行研究，从中找出不同地震作用取值水准与上述三个层面结构变形之间的关系，并归纳出适用于多次超静定单多自由度体系设计地震作用水准与结构强震非弹性变形需求之间的量化关系，从而给出可供这类结构设计使用的量化依据。
　　基于上述背景，本文主要对以下内容展开分析：
　　①对国内外有代表性的单、多自由度体系的Rm-规律及结构超强研究成果进行总结和评述；
　　②仍然采用地震力降低系数R代表不同设计地震作用水准取值，但m只代表构件端部塑性铰转动延性，对位于中国8度0.3g区的单层单跨、2跨3层及3跨6层典型钢筋混凝土平面框架结构分别取五档不同R值进行设计并进行多波输入下的非弹性动力反应分析，分别从整体结构反应特征、各层层间位移反应特征和各控制部位塑性铰反应特征三个层面上全面分析多次超静定多自由度体系的不同设计地震作用水准与非弹性变形之间的关系；
　　③结合本论文所涉及的算例分析解释结构用较小的地震作用水准进行承载能力设计能够抵抗设防地震和罕遇地震水准作用的原因；
　　④利用动力推覆分析手段对严格按照中国现行规范设计的层数不同、连梁刚度不同的处于不同设防烈度区的典型框架-剪力墙结构进行有效的非弹性动力反应分析，初步考察设防烈度分区、结构的层数及连梁刚度是否折减对框架-剪力墙结构体系超强的影响规律。
　　从上述研究工作中，本文可以初步得出以下结论：
　　①本次分析结果明确发现，不论哪种类型的结构，多次超静定多自由度体系的整体反应、楼层反应、结构构件延性需求及塑性耗能机构形式虽然随着R取值的变化而有所变化，但变化幅度远不及单一塑性铰单自由度体系那样明显。有理由认为，需要针对某一类多次超静定结构的具体强震性能，给出与单一塑性铰单自由度体系的Rm-规律不完全相同的专用Rm-规律：例如，对本论文已做了系列分析的框架结构类型，一方面，在承载能力设计时可以选取一个比较优化的地震力降低系数R，取值不宜过大也不宜过小。另一方面，在这个R取值范围内，可以认为，不论R取值多少，就塑性铰屈服后转动而言，结构都会以某种程度进入非弹性状态，且各塑性铰屈服后的转动幅度都可能在某个合理的范围内变化。因此，需在结构体系合理且整体稳定性能良好的前提下通过对塑性出铰部位采取与上述变化范围内的延性需求对应的抗震措施以保证结构在设防地震及罕遇地震水准下具有足够的延性能力。
　　②刚度退化、滞回耗能及结构超强是结构用较小的地震作用水准进行承载能力设计能够抵抗设防地震和罕遇地震水准作用的三个主要原因，但刚度退化是关键因素，且刚度退化的严重程度与R取值的大小相关。
　　③动力推覆分析结果表明，框架结构从达到罕遇地震水准点到动力推覆曲线上走平点（即结构失效点）之间的“抗震裕量”值大概为1.4~2.5，且该值在框架-剪力墙结构中已达到了3.5左右，这意味着结构从罕遇地震水准到可以达到的抗极限能力之间还有相当大的潜力水平。因此，罕遇地面运动作用水准所形成的受力状态和倒塌过程开始的状态是有明显概念性差异的。
　　④严格按照中国现行规范合理设计的框架-剪力墙结构表现出了不同程度的超强，且明显高于框架结构已有的研究结果；无论处于0.2g区还是0.3g区，连梁刚度是否折减对结构的超强系数影响较大，大致有随着连梁刚度的增大，结构的超强值呈下降趋势，但下降的幅度不大，尤其是在0.3g区这种趋势更加明显；结构的层数对超强系数影响不大；结构层数相同时，低烈度区结构表现出较高的超强值。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 本文主要研究内容

2 R-μ 规律的研究现状

2.1 对单一塑性铰单自由度体系R-μ规律的简要说明

2.2 单自由度体系R-μ-T

2.3 单自由度体系R-μ-T

2.4 多自由度体系R-μ 规律研究成果综述

2.5 多自由度体系R-μ 规律的研究成果评述

2.6 本章小结

3 非线性动力分析思路

3.1 非线性动力分析程序简介

3.2 构件屈服轨迹的确定

3.3 构件滞回曲线特征参数的确定

3.4 地震地面运动记录的选取与标定

4 钢筋混凝土框架结构地震作用水准与非弹性变形关系分析

4.1 引言

4.2 本文延性?的含义

4.3 分析思路

4.4 结构的基本模型

4.5 非线性分析结果

4.6 关于“小震设计大震不倒”原因的讨论

4.7 本章小结

5 钢筋混凝土框架-剪力墙结构的体系超强分析

5.1 引言

5.2 国内外研究现状

5.3 分析模型的设计概况

5.4 框架-剪力墙结构的超强分析结果

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文得出的主要结论

6.2 对后续工作的展望

致谢

参考文献

附 录