基于能力储备的中心支撑钢框架结构抗震性能研究

摘要

中心支撑钢框架结构是一种常用的钢结构形式之一，具有良好的初始抗侧能力，由于设计简单，经济性好，中心支撑钢框架结构得到了广泛的应用。地震作用下，支撑作为轴向受力构件，容易发生受压屈曲破坏，并导致结构承载力和刚度的大幅降低，严重影响结构的抗震性能。支撑失效后，结构剩余部分作为储备体系能够继续承担地震作用，为结构提供承载力储备和刚度储备，储备体系的抗倒塌能力储备称为结构的能力储备。研究表明，能力储备对于中心支撑钢框架结构的抗震性能具有决定性作用。美国规范ASCE7-10中规定，在美国中、低烈度地震设防地区按照强度折减系数R等于3设计的钢结构，不需要考虑抗震细部构造设计，如支撑可以采用较大的长细比和宽厚比。中国规范中对于不同延性能力的中心支撑钢框架结构未进行区分，与美国规范相比，中国中心支撑钢框架结构设计偏于保守，钢结构整体造价也相对较高，导致钢结构在中国建筑市场所占比例较低。如何在保证结构具有足够抗震性能的同时，在中国应用经济性较好的低延性中心支撑钢框架结构，是亟待解决的现实问题。本文以低延性中心支撑钢框架结构为研究对象，基于能力储备对该类结构的抗震性能与设计方法开展了理论研究、数值模拟和振动台试验研究，具体如下:
　　(1)首先对单自由度低延性中心支撑钢框架结构的抗震性能开展了研究，介绍了能力储备的定义与延性需求谱的建立方法，分析了各参数对中心支撑钢框架体系延性需求谱的影响。在此基础上，提出了单自由度低延性中心支撑钢框架体系的R-μ-T模型，并通过与时程分析计算得到的平均延性需求谱结果对比，验证了所提出模型的合理性。
　　(2)开展了基于增量动力分析的单自由度中心支撑钢框架体系抗倒塌能力研究。以按强度折减系数R=3设计的单自由度中心支撑钢框架体系为研究对象，考虑了结构储备体系承载力储备系数和刚度储备系数，对其开展了增量动力分析，以结构发生动力不稳定性为判定标准，提出了中心支撑钢框架体系的倒塌延性谱，该谱反映了单自由度的中心支撑钢框架体系在不同周期不同储备参数时，由重力二阶效应而导致不稳定性发生时的体系最大框架延性反应。基于倒塌延性谱与延性需求谱确定了结构的抗倒塌临界设计周期与适用周期，并通过易损性分析的结果验证了所得到临界周期的准确性。
　　(3)以多层中心支撑钢框架结构为研究对象，基于推覆分析判断多层结构支撑失效位置以及薄弱层位置，并将多层中心支撑钢框架结构转化为等效单自由度体系，给出了储备参数、等效强度折减系数、等效屈服位移等的确定方法，结合R-μ-T模型，提出了多层低延性中心支撑钢框架结构抗震性能简化评估方法，即“能力储备法”。通过两个中心支撑钢框架结构动力时程分析算例结果的对比，验证了能力储备法的准确性。
　　(4)开展了长度缩尺比为1∶6.5的3层3榀2跨低延性中心支撑钢框架结构振动台试验，分别采用硬土场地和软土场地2条地震记录先后对结构进行单向加载，逐级增加地震峰值加速度，研究了结构的灾变机理和储备体系抗倒塌性能。并采用能力储备法对模型结构抗震性能进行评估，简化方法得到的薄弱层位置与试验现象相同，对结构抗震性能的判定较为准确，进一步验证了能力储备法的实用性。
　　(5)对比了中国规范和美国规范在中心支撑钢框架结构设计过程中的异同点，按照美国规范给出了低延性中心支撑钢框架和普通中心支撑钢框架结构主要构件的设计算例。在此基础上，按照略低于中国规范的设计要求设计了一个3层低延性中心支撑钢框架结构，并开展了振动台试验。结果表明，结构在底层支撑失效后，储备体系并未出现明显的损伤和残余变形。由此可见，中国规范对于中心支撑钢框架结构的设计偏于保守。根据振动台试验的结果，结合中国规范，对低延性结构如何在中国应用与设计提供了建议。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1钢框架-支撑结构

1．2．2增量动力分析

1．2．3结构抗震性能简化评估方法

1．2．4中、美抗震设计规范的比较

1．3存在的问题

1．4本文主要研究思路

2 单自由度中心支撑钢框架体系延性需求分析

2．1 引言

2．2基本理论

2．2．1 中心支撑钢框架结构能力储备的定义

2．2．2延性运动方程与强度折减系数

2．3延性需求谱

2．3．1时程分析

2．3．2延性需求谱

2．4低延性中心支撑钢框架体系R-μ-T模型

2．4．1 能力储备参数研究

2．4．2屈服位移比

2．4．3 R-μ-T模型

2．5本章小结

3 基于IDA的中心支撑钢框架体系抗倒塌能力研究

3．1 引言

3．2 中心支撑钢框架的增量动力分析

3．3倒塌延性谱

3．4影响参数

3．4．1 P-△效应

3．4．2能力储备对倒塌延性的影响

3．5性能分析

3．5．1结构倒塌临界周期

3．5．2基于倒塌富余度的抗倒塌能力验证

3．5．3临界周期

3．6本章小结

4 多层中心支撑钢框架结构抗震性能简化评估方法

4．1 引言

4．2简化评估方法

4．2．1 多层结构储备体系定义

4．2．2多层结构储备参数

4．2．3等效单自由度体系

4．2．4等效强度折减系数

4．2．5储备体系抗震性能评估

4．3能力储备法的基本流程

4．4数值算例

4．4．1 算例介绍

4．4．2 6层结构结果分析

4．4．3 3层结构结果分析

4．5本章小结

5 中心支撑钢框架结构储备体系抗震性能试验研究

5．1 引言

5．2模型设计

5．2．1概述

5．2．2试验缩尺模型设计

5．3试验方案

5．4试验结果与分析

5．4．1试验过程与现象

5．4．2试验结果与分析

5．5能力储备法的验证

5．6本章小结

6改进的抗震设计方法与试验验证

6．1 引言

6．2设计理论

6．2．1基于美国规范的中心支撑钢框架结构设计

6．2．2讨论与分析

6．2．3改进的抗震设计方法

6．3试验验证

6．3．1试验介绍

6．3．2试验现象与结果分析

6．3．3两模型试验现象对比与分析

6．3．4改进设计方法的评价

6．4本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介