钢框架结构截面刚度最佳分布研究

摘要

地震作用下建筑结构的破坏模式可分为整体型破坏模式和局部型破坏模式。整体型破坏模式可实现对结构破坏模式和损伤程度的控制，使其破坏过程持续时间最大化，是理想的破坏模式；相较而言，局部型破坏模式不仅无法充分利用材料的性能，造成资源的浪费；更因其破坏过程毫无征兆，极大的威胁业主的生命和财产安全。因此，避免局部型破坏模式的出现具有重要的工程意义。基于局部型破坏模式的危害以及实际抗震工程无法避免的现状，本文以钢框架结构为研究对象，确定了结构截面剪切和弯曲刚度最佳分布，并提出基于此刚度分布的抗震设计方法，以达到保证多高层钢框架结构在地震作用下弹性和塑性层间变形均匀的目标。本文主要研究工作及成果如下：
　　（1）依据建筑结构的侧移模式以及多质点系模型地震作用的分布形状，地震作用简化为倒三角形分布水平荷载，建筑结构简化为竖向悬臂杆，分析水平荷载与模型内力的关系，并依据剪力（弯矩）、剪切（弯曲）变形和截面剪切（弯曲）刚度之间的关系，确定截面剪切（弯曲）刚度最佳分布。
　　（2）按上述截面刚度最佳分布确定6层框架算例模型的截面刚度，基于结构模型和地震作用的简化均与实际框架结构和地震作用存在差异，因此对其进行刚度修正；利用自编电算程序对上述算例模型进行弹性时程分析，结果显示其层间位移角分布均匀。
　　（3）建立12层算例模型，分别采用5种刚度分布；对其进行弹塑性时程分析，对比分析其地震作用下的弹性及塑性层间位移角可知，按截面刚度最佳分布的算例模型较其他刚度分布而言，其弹性和塑性层间位移角变化较为均匀。
　　（4）为使得截面刚度最佳分布应用于实际设计工程，分析框架结构梁柱截面尺寸与截面刚度存在的关系，建立6、9层算例模型，利用最小二乘法拟合得出框架结构单柱截面面积比和惯性矩比的最佳分布；并提出基于截面刚度最佳分布的抗震设计方法。
　　（5）建立10层算例模型，依据本文提出的框架结构抗震设计方法确定其梁柱截面尺寸，并通过分析其静力推覆分析和动力时程分析的结果，得出基于截面刚度最佳分布的抗震设计方法可保证框架结构在地震作用下弹性和塑性层间位移角分布均匀；对比模型的侧移刚度与最佳侧移刚度以及模型的层屈服剪力系数和最佳层屈服剪力系数，其分布基本一致，验证了本文提出的抗震设计方法的合理性和可行性。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 建筑结构破坏模式

1.3 我国现行抗震设计方法

1.4研究目的

1.5研究现状

1.6研究思路

第2章 建筑结构损伤控制设计

2.1建筑结构损伤控制及意义

2.2框架结构损伤控制机制的实现

2.3基于位移的抗震设计方法

第3章 截面剪切和弯曲刚度最佳分布

3.1截面剪切和弯曲刚度最佳分布的确定

3.2 截面剪切和弯曲刚度最佳分布的验证

3.3 5种刚度分布地震响应值对比分析

3.4本章小结

第4章 基于截面刚度最佳分布抗震设计方法确定

4.1 截面尺寸分布

4.2 单柱截面面积和惯性矩分布的确定

4.3 框架结构抗震设计方法

4.4本章小结

第5章 基于截面刚度最佳分布抗震设计方法验证

5.1 算例模型

5.2 静力弹塑性分析

5.3 动力时程分析

5.4 侧移刚度验证

5.5 层屈服剪力系数验证

5.5 本章小结

结论与展望

一、结论

二．研究的不足与展望

参考文献

附录15种刚度分布的侧移刚度确定程序

附录2 自编剪切-弯曲型模型弹塑性时程分析程序

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢