考虑空间效应的柱抗弯能力增强措施合理性评价

论文摘要

理论研究与震害经验表明,地震时地面运动和结构的反应都是复杂的多维运动。在以往钢筋混凝土结构动力反应研究中,由于技术手段的局限,研究者往往采用的是平面分析模型,只考虑在单向水平地面运动作用下的结构反应。实际上,无论是规则结构还是不规则结构,双向水平地震动作用下的结构反应与仅考虑单向水平地震作用的结构反应有较大差别,将结构简化成平面分析模型不能全面反映和揭示结构地震反应的本质。本文首先严格按照我国规范GB50010-2002和GB50011-2001设计了五个典型钢筋混凝土空间框架,并在非线性动力分析平台OpenSees上对空间框架进行了罕遇地震下多波输入的非线性反应分析,考察了空间框架的整体反应规律（顶点侧移、层间位移角、楼层的侧移分布等）和局部反应规律（杆端纤维应变、杆件塑性铰分布、转动程度以及杆件延性需求等）,基于这些结果对五个典型框架所处烈度区的柱弯矩增强措施的合理性进行了评价。然后通过一个空间框架和从该空间框架取出的平面框架的非线性分析结果的对比,对平面分析模型在多大程度上能够代表整个结构的真实反应进行了分析。最后试探性的将八度（0.2g）空间框架的柱弯矩增大系数从现行规范规定的1.2人为提高到1.5,通过非线性分析对其有效性进行了验证。通过上述分析,本文得出了如下主要结论:①七度（0.1g）三级空间框架整体反应（顶点位移、层间位移角等）相对较小,能满足大震不倒的抗震性态要求。就局部反应而言,由于框架柱大部分由最小配筋率控制及地震作用本身较小,梁、柱出铰与其他烈度区相比相对较少,但总体上仍属于以“柱铰”为主的梁柱铰混合塑性铰机构,表明现行规范对七度（0.1g）的梁柱抗弯能力级差调整措施不能保证柱端不出现或延缓出现塑性铰,其抗震性态是偏不利的。只是地震作用相对较小,与其他烈度区比起来,七度（0.1g）空间框架未见有同层柱同时出铰的层侧移机构的出现,离失效还有很大的距离。②七度（0.15g）三级空间框架的顶点位移、层间位移角等与七度（0.1g）三级空间框架相比虽略有加大,但总体来说差别不大,表明从整体反应的角度看,两个区框架没有明显的差别。但考查局部反应,七度（0.15g）三级空间框架柱端出铰数量较七度（0.1g）框架有所增加,梁端出铰数量略有减少,梁柱铰混合塑性铰机构中柱铰占的比例有所加大。虽然出铰不像八度二级空间框架那样普遍,但已经开始有少量同层柱上下端同时出铰的层侧移机构的趋势,因而其梁柱抗弯能力级差调整措施的控制效果与七度（0.1g）空间框架相比更为不利。③八度（0.2g）二级空间框架与七度三级空间框架相比,整体反应规律显著加大,层间位移角甚至有超过1/50的“大震不倒”评价标准的情况出现,表明结构在整体上已经失效。柱端出铰较七度区显著增多,多为双向出铰,转动较大,更为不利的是多次出现同层所有柱上下端同时出铰的层侧移机构,表明现行规范对八度（0.2g）二级空间框架的抗弯能力调整措施是极其偏弱的。④八度（0.3g）二级空间框架和八度（0.2g）二级空间框架类似,整体反应规律比七度区三级空间框架有所增大,最大层间位移角虽然没有像八度（0.2g）那样超过1/50,但也已经接近大震不倒的边缘,表明结构在整体上已接近失效。柱端出铰较八度（0.2g）空间框架略有增多,仍多为双向屈服,转动较大,层侧移机构仍然多次出现,表明现行规范对本烈度区的抗弯能力增强措施也是极为不利的,有待进一步提高。⑤九度（0.4g）一级空间框架由于柱截面尺寸是层间位移角限值控制,其整体反应规律较八度区明显减小,总体上与七度区三级框架相近,表明框架在整体上可满足规范所期望的抗震性态要求。和七度区、八度区不同的是,九度区一级空间框架形成的是以梁铰为主的“梁柱铰”混合塑性铰机构,虽然柱端也有一定数量的出铰,但转角较小,表明现行规范规定的按梁端实配钢筋来调整梁柱相对强弱程度的抗弯能力级差调整措施虽然不能完全避免柱端塑性铰的出现（我国规范并不要求柱端不出现塑性铰）,但对推迟柱端塑性铰的出现是有积极意义的,由此可见,九度区一级空间框架的抗弯能力调整措施是能够满足我国规范所期望的要求的。⑥通过双向地震波输入下的空间框架、单向地震波输入下的空间框架、单向地震波输入下的平面框架的对比分析可以发现:就结构的整体反应而言,三者没有太大的差别,表明平面框架代替空间框架单向位移反应是可行的;但就局部反应而言,三者有较大差别,平面框架形成的是典型的梁柱铰机构,梁端出铰较多,转动较大,柱端塑性铰相对较小;双向地震作用下的空间框架柱铰明显多于梁铰,多为双向屈服,有同层所有柱上下端同时出铰的层侧移机构的趋势;平面框架明显低估了框架柱的局部反应。⑦把八度（0.2g）二级空间框架的柱弯矩增大系数从现行规范规定的1.2提高到1.5后,顶点位移时程、层间位移角等整体反应与柱弯矩增大系数取1.2时相比略有减小,但差别并不大,表明柱弯矩增大系数取值对整体反应的影响较小;从局部反应来看,柱端塑性铰数量、转角大小明显减少,但出铰仍较为普遍,有单向屈服,也有双向屈服,梁铰数量进一步增多,框架形成的仍是以柱铰为主的梁柱铰塑性耗能机构,表明将现行规范规定的八度（0.2g）二级空间框架的抗弯能力调整措施由∑M c =1.2∑Mb提高到∑M c =1.5∑Mb仍不能形成以梁铰为主的梁柱铰混合塑性耗能机构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 结构地震反应分析模型
• 1.2 钢筋混凝土结构抗震设计的基本思路和方法
• 1.3 结构抗弯能力级差措施研究现状
• 1.4 双向地震作用下结构反应研究现状
• 1.5 本文的研究目的
• 1.6 本文的主要研究内容
• 1.7 本文非线性分析的技术条件
• 2 非线性动力反应分析程序介绍
• 2.1 程序概述
• 2.2 OPENSEES 中有限元模型的建立
• 2.3 本文所采用的单元力学模型简介
• 2.3.1 纤维模型简介及其在OPENSEES 程序中的实现
• 2.3.2 柔度法简介及其在OPENSEES 程序中的实现
• 2.3.3 材料的本构关系
• 2.3.4 本文框架模型化方法的主要优缺点
• 3 框架计算实例的设计
• 3.1 结构方案与概况
• 3.2 内力与位移的计算
• 3.3 内力组合及内力调整
• 3.4 结构的配筋
• 3.5 各烈度区框架梁柱的配筋规律
• 4 非线性动力分析的准备
• 4.1 非线性分析模型的建立
• 4.1.1 材料强度及弹性模量
• 4.1.2 混凝土本构模型中的其他参数
• 4.1.3 钢筋本构模型中的其他参数
• 4.1.4 施加在结构上的荷载与质量
• 4.1.5 瑞雷（Rayleigh）阻尼系数的确定
• 4.1.6 梁柱抗扭刚度取值
• 4.1.7 梁柱纤维截面的划分
• 4.2 地震波的选取与输入
• 4.2.1 结构双向水平地震动输入
• 4.2.2 选波原则
• 4.2.3 本文所选地震波
• 4.2.4 地震波其它参数的确定
• 4.3 截面纤维应力、应变输出
• 4.4 空间框架柱屈服判断
• 4.5 非线性动力反应分析的其它说明
• 5 非线性动力反应分析的结果
• 5.1 空间框架地震反应对比评价内容
• 5.1.1 空间框架编号说明
• 5.1.2 空间框架地震反应的评价内容
• 5.2 七度（0.1G）空间框架罕遇地震下的分析结果与评价
• 5.2.1 顶点位移时程、各层侧移、层间位移角
• 5.2.2 基底剪力-底层侧移滞回曲线
• 5.2.3 梁柱截面的纤维应变
• 5.2.4 杆端出铰率、杆端最大转角、转角延性需求
• 5.2.5 关于七度（0.19）三级框架非线性反应分析的评价
• 5.3 七度（0.15G）空间框架罕遇地震下的分析结果与评价
• 5.3.1 顶点位移时程、各层侧移、层间位移角
• 5.3.2 基底剪力-底层侧移滞回曲线
• 5.3.3 梁柱截面的纤维应变
• 5.3.4 杆端出铰率、杆端最大转角、转角延性需求
• 5.3.5 关于七度（0.159）三级框架非线性反应分析的评价
• 5.4 八度（0.2G）空间框架罕遇地震下的分析结果与评价
• 5.4.1 顶点位移时程、各层侧移、层间位移角
• 5.4.2 基底剪力-底层侧移滞回曲线
• 5.4.3 梁柱截面的纤维应变
• 5.4.4 杆端出铰率、杆端最大转角、转角延性需求
• 5.4.5 关于八度（0.29）二级框架非线性反应分析的评价
• 5.5 八度（0.3G）空间框架罕遇地震下的分析结果与评价
• 5.5.1 顶点位移时程、各层侧移、层间位移角
• 5.5.2 基底剪力-底层侧移滞回曲线
• 5.5.3 梁柱截面的纤维应变
• 5.5.4 杆端出铰率、杆端最大转角、转角延性需求
• 5.5.5 关于八度（0.39）二级框架非线性反应分析的评价
• 5.6 九度（0.4G）空间框架罕遇地震下的分析结果与评价
• 5.6.1 顶点位移时程、各层侧移、层间位移角
• 5.6.2 基底剪力-底层侧移滞回曲线
• 5.6.3 梁柱截面的纤维应变
• 5.6.4 杆端出铰率、杆端最大转角、转角延性需求
• 5.6.5 关于九度（0.49）一级框架非线性反应分析的评价
• 6 空间框架简化为平面模型的抗震合理性评价
• 6.1 框架的基本信息及非线性动力反应分析方法
• 6.1.1 框架的基本信息
• 6.1.2 双向地震波的输入方案
• 6.1.3 选取的分析对象
• 6.2 非线性地震反应分析结果及评价
• 6.2.1 整体反应
• 6.2.2 塑性铰分布规律与梁、柱层累积转角
• 6.2.3 杆件的延性需求及杆端滞回规律
• 6.3 本章小结
• 7 对八度二级框架柱弯矩增大系数提高到1.5 的验证
• 7.1 非线性动力反应分析的模型
• 7.2 非线性动力反应分析的结果
• 7.2.1 顶点位移时程、各层侧移、层间位移角
• 7.2.2 梁柱截面的纤维应变
• 7.2.3 杆端出铰率、杆端最大转角、转角延性需求
• 7.2.4 关于八度（0.29）二级框架柱弯矩增大系数提高到1.5 的评价
• 8 结语
• 8.1 本文的研究工作和主要结论
• 8.2 需要进一步研究的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 各烈度区框架梁柱配筋
• B. 本文所用地震波加速度时程
• C. 七度（0.1G）相关分析图表
• D. 七度（0.15G）相关分析图表
• E. 八度（0.2G）相关分析图表
• F. 八度（0.3G）相关分析图表
• G. 九度（0.4G）相关分析图表
• H. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录