多层抗弯钢框架的结构影响系数和位移放大系数

论文摘要

大量的震害分析和试验研究表明:在强震作用下,建筑结构通常会表现出非弹性性能。大部分国家抗震规范利用结构延性,采用结构影响系数对设防烈度下的弹性反应进行折减,以此作为结构设计时的地震作用。因此,结构影响系数的取值大小直接关系到结构抗震的安全性与经济性。我国现行抗震规范对不同材料的所有结构体系采用单一的结构影响系数,而没有区分结构形式,这种方法不能够充分体现钢结构体系较好的延性和耗能能力,因此,有必要对钢结构的结构影响系数进行系统的研究。首先,为了解多层钢框架在水平荷载作用下的荷载—位移关系并验证有限元分析,对一榀三层单跨钢框架结构进行了静力推覆试验,试验表明:钢框架结构具有良好的延性性能;有限元模拟与试验结果吻合较好。其次,基于静力推覆分析,对多层钢框架的结构影响系数和位移放大系数进行了系统的分析。分别采用水平均匀分布力和倒三角分布力加载模式对不同层数和跨数的钢框架结构进行了静力推覆分析(Pushover),并得到了结构的能力曲线,在此基础上,应用改进的能力谱法,以规范反应谱为基础建立设防烈度和罕遇烈度下的弹塑性需求谱,确定出结构在设防烈度和罕遇烈度下的目标位移,进而求解出结构的延性折减系数、超强系数、结构影响系数和位移放大系数等参数;同时,分析了不同加载模式、层数和跨数等对各系数的影响。另外,基于增量动力分析(IDA),对多层钢框架结构的结构影响系数和位移放大系数进行了分析。采用梁壳单元相结合的有限元模型进行弹塑性时程分析,得到结构的基底剪力与顶点位移关系包络曲线,以此为基础,求出结构的结构影响系数和位移放大系数,并与Pushover方法的分析结果进行了分析比较。本文系统地分析了多层抗弯钢框架的结构影响系数和位移放大系数。对于修订国家相关规范、指导工程设计有重要的参考价值,也为进一步研究此结构体系的抗震性能打下良好基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 抗弯钢框架结构体系
• 1.2.1 抗弯钢框架概述
• 1.2.2 刚性连接钢框架的变形特点
• 1.3 结构抗震设计理论发展
• 1.3.1 地震灾害与对策
• 1.3.2 基于承载力的设计方法
• 1.3.3 基于承载力和构造保证延性的抗震设计方法
• 1.3.4 基于性能的抗震设计理论
• 1.4 结构影响系数和位移放大系数的研究现状
• 1.4.1 基于SDOF体系的结构影响系数研究
• 1.4.2 基于MDOF体系的结构影响系数研究
• 1.4.3 位移放大系数的研究现状
• 1.5 本文研究内容
• 1.5.1 前人研究的不足之处
• 1.5.2 本文的研究工作
• 参考文献
• 2 结构影响系数相关问题分析
• 2.1 引言
• 2.2 结构影响系数的确定
• 2.2.1 结构影响系数的定义
• 2.2.2 结构总体反应曲线中的关键点
• 2.2.3 我国抗震规范中的结构影响系数及小震弹性地震力理论来源
• 2.2.4 我国现行抗震规范地震作用计算与结构影响系数的联系
• 2.2.5 结构抗震的侧移限值
• 2.2.6 本文研究结构影响系数和位移放大系数的思路
• 2.3 单自由度体系延性折减系数与位移延性系数的关系模型
• 2.3.1 Newmark和Hall模型
• 2.3.2 Nassar和Krawinkler模型
• 2.3.3 Miranda模型
• 2.3.4 Vidic和Fajfar模型
• 2.3.5 Borzi和Elnashai模型
• 2.3.6 国内研究成果
• 2.3.7 各种模型的比较总结
• 2.4 各国规范关于结构影响系数R的规定
• 2.4.1 美国规范
• 2.4.2 欧州规范
• 2.4.3 日本规范
• 2.4.4 中国规范
• 2.4.5 各国规范中的钢框架结构影响系数
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3 多层钢框架静力试验方案
• 3.1 试件模型的原结构设计
• 3.1.1 构件截面尺寸确定
• 3.1.2 3轴框架内力分析
• 3.1.3 整体结构Y向水平地震作用计算
• 3.1.4 地震作用效应组合下的计算榀框架受力分析
• 3.1.5 钢框架结构整体性能控制计算
• 3.1.6 框架梁、柱构件验算及抗震构造要求
• 3.2 试验目的
• 3.3 试件设计
• 3.4 试验模型在地震组合作用下的构件内力
• 3.5 试验模型在极限承载力时的构件内力
• 3.6 试验模型的节点设计
• 3.6.1 柱脚节点设计
• 3.6.2 梁柱刚性连接节点设计
• 3.7 试验装置
• 3.8 仪表和应变片布置
• 3.9 加载方案
• 3.10 材性试验
• 3.11 本章小结
• 参考文献
• 4 多层钢框架试验研究及有限元分析
• 4.1 试验过程及试验现象描述
• 4.2 试件整体性能
• 4.2.1 试件的能力曲线
• 4.2.2 试件的强度和延性
• 4.2.3 试件刚度
• 4.3 试件的局部性能
• 4.3.1 框架柱受力性能分析
• 4.3.2 框架梁受力性能分析
• 4.3.3 梁柱节点域应力分析
• 4.3.4 各构件腹板屈服顺序
• 4.4 试件的水平力与倾覆力矩分配
• 4.5 试验模型的有限元模拟
• 4.5.1 ANSYS软件分析
• 4.5.2 SAP2000软件分析
• 4.5.3 有限元分析与试验结果比较
• 4.6 本章小结
• 5 基于静力推覆分析的抗弯钢框架结构影响系数分析
• 5.1 引言
• 5.2 分析钢框架模型
• 5.2.1 结构参数
• 5.2.2 设计条件
• 5.2.3 结构设计
• 5.3 静力推覆分析介绍
• 5.3.1 静力推覆分析方法的主要内容
• 5.3.2 静力推覆分析方法的实质
• 5.3.3 静力推覆分析的实施步骤
• 5.4 能力谱方法及其在目标位移估计中的应用
• 5.4.1 能力谱方法
• 5.4.2 能力谱的建立
• 5.4.3 非弹性需求谱的建立
• 5.4.4 改进的能力谱法的应用步骤
• 5.5 基于能力谱法的结构影响系数求解算例
• 5.5.1 结构基底剪力—顶点位移曲线
• 5.5.2 显著屈服点的确定
• 5.5.3 能力谱法确定结构目标位移
• 5.5.4 结构影响系数和位移放大系数求解
• 5.5.5 结构的屈服机制
• 5.6 计算结果汇总
• 5.6.1 结构基底剪力—顶点位移曲线
• 5.6.2 设防烈度下的目标位移及层间位移角
• 5.6.3 罕遇烈度下的目标位移及层间位移角
• 5.6.4 结构最大层间位移角为1/50与中震下的层间位移角比较
• 5.6.5 结构影响系数及位移放大系数求解
• 5.7 计算结果分析
• 5.7.1 不同加载模式对结构影响系数、延性折减系数、超强和位移放大系数的影响
• 5.7.2 跨数和层数对结构影响系数、延性折减系数、超强和位移放大系数的影响
• 5.8 按最大层间位移角为1/50计算结构影响系数
• 5.8.1 一个算例求解
• 5.8.2 算例汇总
• 5.8.3 按最大层间位移角为1/50和按中震计算结果比较
• 5.8.4 不同加载模式对结构影响系数和延性折减系数的影响
• 5.8.5 跨数和层数对结构影响系数和延性折减系数的影响
• 5.9 本章小结
• 参考文献
• 6 基于增量动力分析的抗弯钢框架结构影响系数分析
• 6.1 引言
• 6.2 增量动力分析（IDA）方法
• 6.2.1 增量动力分析简介
• 6.2.2 单一地震记录下的IDA分析
• 6.2.3 多条地震记录下的IDA分析
• 6.2.4 IDA方法的实施
• 6.3 有限元模型建立
• 6.3.1 材料模型
• 6.3.2 单元选取
• 6.3.3 结构动力学方程及其解法
• 6.3.4 结构阻尼的选取
• 6.3.5 地震波的选取
• 6.3.6 梁壳单元的连接
• 6.3.7 结构分析的有限元模型
• 6.4 基于IDA方法的结构影响系数求解步骤
• 6.5 基于IDA方法的结构影响系数求解算例
• 6.5.1 各条地震波的β值及结构小震下的分析
• 6.5.2 不同设防烈度下的基底剪力和位移
• 6.5.3 结构基底剪力—顶点位移曲线
• 6.5.4 结构影响系数和位移放大系数求解
• 6.6 算例汇总及计算结果分析
• 6.6.1 算例汇总
• 6.6.2 计算结果分析
• 6.7 IDA分析与静力Pushover分析结果比较
• 6.8 本文与相关文献中结构影响系数的比较
• 6.9 本章小结
• 参考文献
• 7 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.1.1 试验研究得到的结论
• 7.1.2 数值分析得出的结论
• 7.2 建议
• 7.3 后继工作
• 致谢
• 攻读博士学位期间论文发表及科研情况
• 附录 时程分析选用的地震波