基于最不利射入角的钢框架结构抗震分析

摘要

在现行抗震规范下，进行结构设计时一般分别计算建筑结构的两个主轴方向的地震作用，对结构响应进行相关组合作为结构响应的标准值。实际地震中地面振动的方向可能沿任何一个方向发生并且不断变化，而水平地震作用的最不利输入方向在很多情况下都与结构的主轴不一致。地震作用射入角度变化会使结构响应产生较大的增幅，导致设计的偏不安全。引起结构最大动力反应的水平地震动与结构主轴方向的夹角称为地震对该结构的最不利射入角。 现有的最不利射入角研究多对特定的高层建筑或不规则建筑进行360°角度的地震作用遍历或者使用不同的方式对最不利射入角进行研究分析。 本文重点考虑跨数、层数和地震波随机性三个因素的变化，根据抗震规范，建立一系列跨数与层数变化的满足8度抗震设防要求的钢框架，同时选取了3条符合抗震规范要求的地震波，以基底剪力、层间位移、顶点位移为指标，在0°~180°范围内依次增加5°作为射入角度改变值，对所有模型进行最不利射入角分析。之后根据结构参数将模型分类对比数据，得出结论：1.基底剪力受最不利射入角影响较小，层间位移和顶点位移受最不利射入角影响很大。2.跨数变化对最不利射入角的影响非常小，层数变化对最不利射入角的影响较大。3.地震波本身的随机性对最不利射入角的影响很大，所选3条地震波作用在同一个模型上，最不利射入角分布有明显的离散性。4.在最不利射入角作用下，最大层间位移所在的薄弱层有可能会发生转移。5.低层模型的最不利射入角在35°左右，随着跨数增加，最不利射入角有向主轴靠近的趋势；高层模型最不利射入角在弱轴附近，随着层数增加，有向弱轴靠近的趋势。 本文通过最不利射入角矢量法计算与有限元计算的对比，验证考虑最不利射入角的必要性。以规范规定的SRSS法则和30%法则对框架进行地震响应评估。同时横向对比了目前主要使用的单向波与双向波之间的差别。得出结论：1.两种法则均会低估结构在地震中的响应，且程度在20%左右。2.使用单向波进行评估时低层框架低估情况更严重，使用双向波评估时，高层框架低估情况更严重。 最后，本文对射入角度的变化进行了搜索步长分析，通过数据误差对比，提出了变步长最不利射入角定位法：①对一般结构，采用45°精度在360°范围内进行8次计算，将最不利角度控制在一个45°区间内。②再对45°区间以15°为精度再进行2次计算，确定最不利射入角的15°区间③最后以5°为精度再进行2次计算，确定最不利射入角仅需进行12次计算。对于单轴对称和双轴对称结构，计算量可进一步减少。与360°射入共72次计算相比，计算精度相同，计算量大幅减小，实际工程可行性得到较大提高。

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