【摘要】：中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是一種常用的鋼結(jié)構(gòu)形式之一,具有良好的初始抗側(cè)能力,由于設(shè)計簡單,經(jīng)濟性好,中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。地震作用下,支撐作為軸向受力構(gòu)件,容易發(fā)生受壓屈曲破壞,并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力和剛度的大幅降低,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。支撐失效后,結(jié)構(gòu)剩余部分作為儲備體系能夠繼續(xù)承擔(dān)地震作用,為結(jié)構(gòu)提供承載力儲備和剛度儲備,儲備體系的抗倒塌能力儲備稱為結(jié)構(gòu)的能力儲備。研究表明,能力儲備對于中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能具有決定性作用。美國規(guī)范ASCE 7-10中規(guī)定,在美國中、低烈度地震設(shè)防地區(qū)按照強度折減系數(shù)R等于3設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu),不需要考慮抗震細(xì)部構(gòu)造設(shè)計,如支撐可以采用較大的長細(xì)比和寬厚比。我國規(guī)范中對于不同延性能力的中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)未進(jìn)行區(qū)分,與美國規(guī)范相比,我國中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于保守,鋼結(jié)構(gòu)整體造價也相對較高,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑市場所占比例較低。如何在保證結(jié)構(gòu)具有足夠抗震性能的同時,在我國應(yīng)用經(jīng)濟性較好的低延性中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu),是亟待解決的現(xiàn)實問題。本文以低延性中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對象,基于能力儲備對該類結(jié)構(gòu)的抗震性能與設(shè)計方法開展了理論研究、數(shù)值模擬和振動臺試驗研究,具體如下:(1)首先對單自由度低延性中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能開展了研究,介紹了能力儲備的定義與延性需求譜的建立方法,分析了各參數(shù)對中心支撐鋼框架體系延性需求譜的影響。在此基礎(chǔ)上,提出了單自由度低延性中心支撐鋼框架體系的R-μ-T模型,并通過與時程分析計算得到的平均延性需求譜結(jié)果對比,驗證了所提出模型的合理性。(2)開展了基于增量動力分析的單自由度中心支撐鋼框架體系抗倒塌能力研究。以按強度折減系數(shù)R=3設(shè)計的單自由度中心支撐鋼框架體系為研究對象,考慮了結(jié)構(gòu)儲備體系承載力儲備系數(shù)和剛度儲備系數(shù),對其開展了增量動力分析,以結(jié)構(gòu)發(fā)生動力不穩(wěn)定性為判定標(biāo)準(zhǔn),提出了中心支撐鋼框架體系的倒塌延性譜,該譜反映了單自由度的中心支撐鋼框架體系在不同周期不同儲備參數(shù)時,由重力二階效應(yīng)而導(dǎo)致不穩(wěn)定性發(fā)生時的體系最大框架延性反應(yīng)�；诘顾有宰V與延性需求譜確定了結(jié)構(gòu)的抗倒塌臨界設(shè)計周期與適用周期,并通過易損性分析的結(jié)果驗證了所得到臨界周期的準(zhǔn)確性。(3)以多層中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對象,基于推覆分析判斷多層結(jié)構(gòu)支撐失效位置以及薄弱層位置,并將多層中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系,給出了儲備參數(shù)、等效強度折減系數(shù)、等效屈服位移等的確定方法,結(jié)合R-μ-T模型,提出了多層低延性中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能簡化評估方法,即“能力儲備法”。通過兩個中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)動力時程分析算例結(jié)果的對比,驗證了能力儲備法的準(zhǔn)確性。(4)開展了長度縮尺比為1:6.5的3層3榀2跨低延性中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗,分別采用硬土場地和軟土場地2條地震記錄先后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向加載,逐級增加地震峰值加速度,研究了結(jié)構(gòu)的災(zāi)變機理和儲備體系抗倒塌性能。并采用能力儲備法對模型結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評估,簡化方法得到的薄弱層位置與試驗現(xiàn)象相同,對結(jié)構(gòu)抗震性能的判定較為準(zhǔn)確,進(jìn)一步驗證了能力儲備法的實用性。(5)對比了我國規(guī)范和美國規(guī)范在中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的異同點,按照美國規(guī)范給出了低延性中心支撐鋼框架和普通中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的設(shè)計算例。在此基礎(chǔ)上,按照略低于我國規(guī)范的設(shè)計要求設(shè)計了一個3層低延性中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu),并開展了振動臺試驗。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在底層支撐失效后,儲備體系并未出現(xiàn)明顯的損傷和殘余變形。由此可見,我國規(guī)范對于中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計偏于保守。根據(jù)振動臺試驗的結(jié)果,結(jié)合我國規(guī)范,對低延性結(jié)構(gòu)如何在我國應(yīng)用與設(shè)計提供了建議。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU391;TU352.11
【圖文】：

大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文ｍ２，還不到這次地震受災(zāi)地區(qū)的０．１％，但卻出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的震害，研宄發(fā)的地下有數(shù)十米厚的海灣沉積和砂土粘土層，基巖上部的軟土層對地震動有大作用，導(dǎo)致該地區(qū)的震害比周圍地區(qū)如基巖或硬土場地地區(qū)更為嚴(yán)重［２１９】。因地震作用計算時，應(yīng)充分考慮場地類別的影響。我國現(xiàn)行《抗震規(guī)范》［１１］中地并未增大平臺段的幅值，這樣的規(guī)定是否合理，還有待進(jìn)一步探討。此外，中設(shè)計反應(yīng)譜均采用５％阻尼比，不考慮阻尼比的影響，我國《抗震規(guī)范》對設(shè)計反應(yīng)譜的平臺段峰值具有一定影響，阻尼比越小，反應(yīng)譜的平臺段越設(shè)計承載力越大。逡逑

Ｆｉｇ．邋２．１．邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＣＢＦ：邋（ａ）邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋Ｍｏｄｅｌ；邋（ｂ）邋Ｆｏｒｃｅ－ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｗｉｔｈｏｕｔ邋Ｐ－Ａ逡逑Ｅｆｆｅｃｔ：邋（ｃ）邋Ｆｏｒｃｅ－ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｗｉｔｈ邋Ｐ－Ａ邋ｅｆｆｅｃｔ逡逑中心支撐鋼框架體系示意圖及恢復(fù)力曲線如圖２．１所示，體系由支撐和框架兩部分逡逑構(gòu)成�？蚣懿糠植捎美硐霃椝苄曰謴�(fù)力模型，假定低延性支撐兩端與節(jié)點絞接連接，且逡逑支撐的拉壓彈性極限承載力相同，超過彈性極限后失效退出工作，不再具備剛度和承載逡逑力。由于圖２．１所示支撐在彈性階段受力相同，且達(dá)到極限承載力后同時失效，因此，逡逑單斜桿支撐、跨層Ｘ形支撐等中心支撐結(jié)構(gòu)也具有相同的恢復(fù)力特性。其中，框架抗側(cè)逡逑－２４－逡逑

對于一個特定的參數(shù)組合尺ｒ，ａ，Ａ可以得到結(jié)構(gòu)的延性需求譜。ａ、＃是反映結(jié)構(gòu)逡逑儲備體系能力儲備的參數(shù)，其取值會對結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)儲備承載力越大，逡逑反應(yīng)越小。當(dāng)ａ取值極小時（0？０．１），如ａ＝邋０．０５，結(jié)構(gòu)反應(yīng)如圖２．４所示，結(jié)構(gòu)幾乎逡逑不具有儲備剛度，出現(xiàn)了過大的延性需求，甚至發(fā)散，即結(jié)構(gòu)倒塌。過小的承載力儲備逡逑難以阻止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌

【參考文獻(xiàn)】

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