基于強度折減系數(shù)的抗震設(shè)計方法對梁貫通式支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的研究,結(jié)構(gòu)工程論文

基于強度折減系數(shù)的抗震設(shè)計方法對梁貫通式支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的研究,結(jié)構(gòu)工程論文梁貫穿式支撐鋼框架體系是最近由同濟大學(xué)進行改良開發(fā)的一種新型工業(yè)化鋼構(gòu)造體系。該構(gòu)造體系的技術(shù)特點有：梁柱節(jié)點處保持梁通長、柱分層，易于應(yīng)用分層裝配式工法進行安裝；為便于預(yù)制墻板安裝，該體系采用高延性柔性支撐作為其主要的抗側(cè)力構(gòu)件；通過半剛性端板螺栓連接形式實現(xiàn)梁與柱、梁與梁、梁與屋架以及柱與基礎(chǔ)等的連接，同時作為除支撐外的備用抗震設(shè)防措施。整體模型試驗表示清楚，該構(gòu)造延性優(yōu)，但柔性支撐的配置可能導(dǎo)致構(gòu)造具有明顯的滑移型滯回特性，耗能能力一般。對梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造進行合理的抗震設(shè)計，成為該類構(gòu)造體系在我們國家推廣應(yīng)用的關(guān)鍵?；趶姸鹊目拐鹪O(shè)計方式方法主要考慮強震作用下構(gòu)造的塑性耗能，通過強度折減系數(shù)折減構(gòu)造在設(shè)防地震作用下的彈性地震作用，得出設(shè)計地震作用。因而強度折減系數(shù)是基于強度的抗震設(shè)計中確定設(shè)計地震作用的關(guān)鍵參數(shù)。我們國家現(xiàn)行抗震規(guī)范隱含對不同材料的構(gòu)造體系采用單一的強度折減系數(shù)，沒有區(qū)分具有不同延性的構(gòu)造類型在設(shè)計地震作用取值上的差異不同，不能充分具體表現(xiàn)出鋼構(gòu)造延性在抗震設(shè)計安全性與經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，因而有必要對不同抗震鋼構(gòu)造體系的強度折減系數(shù)進行研究。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者近年來已開展了相關(guān)研究工作。但針對梁貫穿式支撐鋼框架這一新型構(gòu)造體系，強度折減系數(shù)的研究當(dāng)前未見報道。本文將增量動力分析〔incrementaldynamicanalysis,IDA〕和能力譜法〔capacityspectrummethod,CSM〕相結(jié)合，對典型梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造的強度折減系數(shù)進行研究，旨在為抗震設(shè)計時強度折減系數(shù)的合理取值提供根據(jù)。強度折減系數(shù)的概念與計算方式方法。強度折減系數(shù)的概念強度折減系數(shù)指設(shè)防地震作用下構(gòu)造保持完全彈性所產(chǎn)生的基底剪力與一樣地震作用下考慮延性設(shè)計的構(gòu)造設(shè)計基底剪力之比。利用構(gòu)造的彈塑性變形能力，能夠使構(gòu)造的實際設(shè)計承載力比按構(gòu)造完全彈性反響要求的承載力偏低。在靜力荷載作用下，單自由度體系鋼框架的荷載-位移曲線如此圖1所示，包含彈性設(shè)計、實際彈塑性設(shè)計和理想彈塑性設(shè)計三種情況。圖中Ve、Vy和Vd分別為按彈性設(shè)計時的基底剪力、按彈塑性設(shè)計構(gòu)造委屈服從時的基底剪力和按規(guī)范設(shè)計所需的基底設(shè)計剪力；e、y和d圖1構(gòu)造反響曲線分別為與Ve、Vy和Vd對應(yīng)的位移。強度折減系數(shù)定義為：R=Ve/Vd〔1〕?；贗DA的強度折減系數(shù)計算方式方法增量動力分析〔IDA〕方式方法是將一條特定的地震動轉(zhuǎn)化為一系列地震動強度逐步增大的地震動，輸入構(gòu)造進行彈塑性動力時程分析，得到一系列構(gòu)造的彈塑性地震響應(yīng)指標，也被稱為動力推覆分析〔dynamicpushover〕方式方法。IDA能夠避免對不同側(cè)力形式推覆分析結(jié)果的合理性進行評估，而將構(gòu)造在地震作用下的滯回規(guī)則引入到抗震能力評價中，還能夠考慮構(gòu)造抗震需求和能力的不確定性和隨機性因素。美國FEMA350,FEMA351中采用IDA對構(gòu)造整體抗倒塌能力進行評估。本文采用IDA計算強度折減系數(shù)主要步驟如下：1〕建立構(gòu)造分析模型，根據(jù)構(gòu)造特性、場地類別等選擇地震記錄，將地震記錄通過調(diào)幅擴展為一組地震動記錄，進而對構(gòu)造進行彈塑性動力時程分析得到基底剪力-頂點位移〔V-〕的關(guān)系。2〕根據(jù)多條地震記錄鼓勵下構(gòu)造的V-關(guān)系，得到擬合曲線。建立構(gòu)造的等效單自由度體系，參考Peter提出的非線性推覆分析方式方法中的轉(zhuǎn)換方式，基于考慮前兩階振型對構(gòu)造進行等效單自由度體系簡化的方式方法，將以上基底剪力-頂點位移曲線轉(zhuǎn)換為構(gòu)造的能力譜曲線。3〕根據(jù)抗震設(shè)防烈度和場地類別，參考強度折減系數(shù)R-目的延性-周期T取值規(guī)則〔式〔2〕〕，建立構(gòu)造對應(yīng)不同延性系數(shù)的需求譜曲線。4〕比擬2〕得到的構(gòu)造能力譜曲線和3〕得到的一簇需求譜曲線，確定相應(yīng)等效單自由度構(gòu)造的性能點。將等效單自由度體系的基底剪力和頂點位移等效復(fù)原為原型構(gòu)造的基底剪力和頂點位移。5〕根據(jù)4〕中原型構(gòu)造委屈服從時的位移和彈性剛度，計算彈性設(shè)計時構(gòu)造需求的基底剪力Ve;根據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范，計算構(gòu)造設(shè)計基底剪力Vd.6〕計算構(gòu)造在給定抗震設(shè)計條件下的強度折減系數(shù)R=Ve/Vd.梁貫穿式支撐鋼框架的強度折減系數(shù)分析。構(gòu)造分析模型針對梁貫穿式支撐鋼框架在實際工程應(yīng)用時支撐與柱常用的兩種不同配置比例及布置方式，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了平面構(gòu)造有限元分析模型進行分析，編號分別為模型CASE1和模型CASE2,如此圖2所示。選取纖維模型桿單元〔B31〕模擬梁和柱，其鋼材本構(gòu)模型采用雙線性隨動強化模型和vonMises委屈服從準則，并假定塑性段切線模量為彈性模量的1/100.選取三維二節(jié)點桁架單元〔T3D2〕模擬柔性支撐，其受壓時退出工作的特性，通過設(shè)置只拉不壓的鋼材本構(gòu)模型間接實現(xiàn)。〔a〕模型CASE1〔b〕模型CASE2個模型的構(gòu)件截面尺寸完全一樣，但模型CASE1與模型CASE2的一層與二層支撐配置比例分別為3∶1和2∶1.在設(shè)計截面尺寸時，考慮抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第二組，Ⅱ類場地。屋面恒荷載為1.5kN/m2,活荷載為0.5kN/m2;樓面恒荷載4.3kN/m2,樓面活荷載為2.0kN/m2;外墻恒荷載0.6kN/m2,基本風(fēng)壓0.45kN/m2.采用Q235B鋼。一層和二層框架梁截面分別為H3001504.56和H2001504.56,框架柱截面為□804,支撐的扁鋼截面為-504.對構(gòu)造整體模型試驗的數(shù)值模擬表示清楚，梁柱節(jié)點設(shè)置為半剛性連接時的模擬結(jié)果與實測的構(gòu)造滯回響應(yīng)最為接近，因而，方鋼管柱與貫穿H形梁全螺栓端板連接節(jié)點在構(gòu)造有限元分析模型中設(shè)為半剛接，采用彈簧連接單元〔SPRING〕并根據(jù)節(jié)點試驗結(jié)果〔圖3〕定義非線性本構(gòu)關(guān)系實現(xiàn)。柱腳為剛性約束。增量動力時程分析結(jié)果考慮到地震頻譜特性和持時對構(gòu)造性能的影響，選取了10條天然地震記錄〔表1〕對模型構(gòu)造進行了IDA,得到頂層位移時程和基底剪力時程，并提取基底剪力和頂層最大位移，如此圖4所示。由圖4能夠看出，頂層最大位移因地震作用的不同相差較大，而基底剪力的離散程度比頂層最大位移小。頂層最大位移超過100mm之后，基底剪力趨于穩(wěn)定。從彈性階段IDA來看，不同地震作用下抗側(cè)剛度接近。對計算得到的基底剪力-頂點位移數(shù)據(jù)點進行多項式擬合，并采用基于能量平衡的雙折線進行等效，見圖5,模型CASE1和模型CASE2結(jié)果的離散度分別到達0.957和0.961.對圖5的等效雙線性能力曲線分析，得到構(gòu)造的初期抗側(cè)剛度K、等效委屈服從的基底剪力Vy和頂點位移分別為：模型CASE1K1=5.9506kN/mm,Vy1=87.471kN,1=14.699mm;模型CASE2K2=4.6299kN/mm,Vy2=64.982kN,2=14.035mm.能力譜法確定構(gòu)造性能點采用能力譜法〔CSM〕確定構(gòu)造性能點,即可得到構(gòu)造能力譜和需求譜曲線的交點，如此圖6所示。需要講明的是，圖6中的能力譜是經(jīng)過單自由度體系等效后的A-D格式能力譜。為表示清楚，圖6中僅給出了包含性能點位置的曲線部分，Sd大于50mm的曲線未列出。彈塑性需求譜列出了從=1.0~3.0〔為構(gòu)造需求的目的延性系數(shù)〕之間一簇共8條需求譜，適用于抗震設(shè)防烈度7度，Ⅱ類場地，地震分組第二組，設(shè)防烈度水平地震影響系數(shù)為0.23,阻尼比=0.05,對應(yīng)的場地特征周期Tg=0.40s.基于Vidic提出的R--T取值規(guī)則經(jīng)屢次迭代計算后得到等效單自由度體系的性能點分別為：〔a〕模型CASE1〔b〕模型CASE2.通過等效可轉(zhuǎn)化為原型多自由度體系的性能點為Sd=eqSd,即模型CASE1,Sd=1.55512.516=19.462mm;模型CASE2,Sd=1.41314.862=21.000mm.華而不實eq為構(gòu)造等效振型的振型介入系數(shù)。強度折減系數(shù)建議為計算構(gòu)造抗震設(shè)計的強度折減系數(shù)，需得到根據(jù)設(shè)防烈度彈性設(shè)計的基底剪力Ve和根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范多遇地震設(shè)計的基底剪力Vd.為此，強度折減系數(shù)按式〔3〕計算。模型CASE1和模型CASE2根據(jù)設(shè)防烈度〔7度〕彈性設(shè)計的基底剪力為：模型CASE1,Ve1=115.811kN,模型CASE2,Ve2=97.228kN.模型CASE1和模型CASE2按現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范多遇地震設(shè)計的基底剪力Vd能夠通過底部剪力法計算為：Vd1=Vd2=38.36kN.從中能夠看出，對于模型CASE1,構(gòu)造超強系數(shù)在強度折減系數(shù)中所占的比例遠大于延性折減系數(shù)所占的比例；而對于模型CASE2,兩者比擬接近。表示清楚支撐與框架柱的配置比例及布置方式對梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造強度折減系數(shù)、延性折減系數(shù)及其構(gòu)造超強系數(shù)均產(chǎn)生影響。關(guān)于強度折減系數(shù)用于梁貫穿式支撐鋼框架抗震設(shè)計的討論GB50011-2018(建筑抗震設(shè)計規(guī)范〕沒有給出強度折減系數(shù)的概念，但隱含了在7度〔0.1g〕抗震設(shè)防區(qū)的設(shè)防地震作用取值到多遇地震設(shè)計地震作用的強度折減系數(shù)近似為2.87.假如以現(xiàn)行規(guī)范為基準進行比擬能夠看出，梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造〔模型CASE1〕的強度折減系數(shù)比現(xiàn)行規(guī)范隱含的強度折減系數(shù)取值偏大，而梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造〔模型CASE2〕的強度折減系數(shù)取值偏小，但總體相差不大。因而，針對現(xiàn)行規(guī)范對該類構(gòu)造體系進行抗震設(shè)計時的強度折減系數(shù)取RM,則模型CASE1,RM1=3.02/2.86=1.06,模型CASE2,RM2=2.54/2.86=0.89.對模型CASE1進行抗震設(shè)計時，可按現(xiàn)行規(guī)范確定的設(shè)計地震作用水準或做微小折減；當(dāng)對CASE2構(gòu)造體系進行抗震設(shè)計時，按現(xiàn)行規(guī)范確定的設(shè)計地震作用水準略低，應(yīng)予以適當(dāng)放大，放大系數(shù)約為1.12〔=1/0.89〕。結(jié)論1〕支撐與框架柱的配置比例及布置方式會對梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造強度折減系數(shù)、延性折減系數(shù)及其構(gòu)造超強系數(shù)產(chǎn)生影響。2〕適用于7度設(shè)防烈度的兩類典型構(gòu)造布置〔CASE1和CASE2〕梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造體系的強度折減系數(shù)可分別取為3.02和2.54.3〕建議了梁貫穿式支撐鋼框架構(gòu)造體系考慮強度折減系數(shù)并基于我們國家現(xiàn)行規(guī)范進行抗震設(shè)計的地震作用取值范圍。以下為參考文獻[1]王偉，陳以一，余亞超，等。分層裝配式支撐鋼構(gòu)造工業(yè)化建筑體系[J].建筑構(gòu)造，2020,42〔10〕:48-52.[