加强钢筋混凝土框架结构研究
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摘要：加强结构对结构在强烈地震中保持良好的性能具有重要的作用。本文首先给出了严格按我国抗震规范设计的几个典型钢筋混凝土框架结构,用大量经过筛选的地震动记录,分别利用动力时程分析法和Pushover方法确定了结构的整体能力曲线,并研究了结构在非弹性阶段由于内力重分布而形成的超强,得出结论:利用时程分析法建立结构的整体能力曲线时,地震动记录的场地条件对结构的能力曲线影响不大;动力时程分析法和Pushover方法给出的超强的差别随层数的增多而增加;在还没有进行大量细致的工作和研究之前,可以保守地认为严格按我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的超强系数最小值。
关键词：加强结构；钢筋混凝土；框架结构
中图分类号：TU37 文献标识码：A
1引言
大量震害和试验证明,结构实际的抗震能力通常要大于其设计抗震能力,这种现象称为超强(overstrength),超强系数则定义为结构实际的抗震能力与其设计地震力的比值。超强为结构在强烈地震中保持良好的性能起到了重要作用。结构的超强是一个设计效率的问题,所有严格执行了规范的抗震结构都包含着一定程度上的储备强度,从一定程度上反映了结构抗震设计的安全度问题。结构的超强取决于很多因素,主要包括:(1)材料的实际强度与设计强度之间的差异;(2)结构设计的模数化和取值的离散化;(3)控制设计的其他因素,如一个结构的抗震设计不起控制作用,而是由构造要求或抗风设计等起控制作用。虽然加强结构的重要性已经被认识很长时间,且在某些国家的抗震规范中明确考虑了超强的影响,但迄今为止,加强结构仍然主要依靠工程经验确定,且大多数规范还没有纳入超强的影响,国外虽有人进行了初步的研究,但距离成熟应用的阶段还很远,而在我国如何考虑结构的超强问题还未见有报道。本文首先给出了严格按我国抗震规范设计的几个典型钢筋混凝土框架结构,然后利用大量经过筛选的地震动记录,分别利用动力时程分析法和Pushover方法考察了结构在非弹性阶段由于内力重分布引起的超强,得到了一些有意义的结论。
2 结构模型、输入地震动及分析方法
2.1 结构模型
首先严格按我国规范设计了4个钢筋混凝土框架结构,结构的层数分别为4层、8层、12层和16层,结构的平面均相同(见图1),结构的立面见图2,各结构均为规则结构,边跨6m,中跨为3m,各层层高均为313m。。本文以上述结构的横向平面框架为研究对象,对应的基本周期分别为018822s、116751s、210602s和215815s,采用中国建筑科学研究院编制的PKPM程序对结构进行结构内力和配筋计算,结构满足我国现行抗震设计规范的要求。结构分析采用层模型,构件的恢复力模型采用三线型模型。
本文对钢筋混凝土结构进行动力时程分析及Pushover分析采用的程序均是Buffalo大学Reinhorn等人编写的程序。
2.2输入震动
本文共应用了80条国内外的重要强地震记录,主要以文献[14]给出的适用于一般重要性结构抗震验算的地震动记录为主,并将这80条地震动记录按我国现行的抗震规范规定的场地分类方法分为四类,即I类场地(20条)、II类场地(20条)、III类场地(20条)、IV类场地(20条),记录的详细情况见文献
2.3加强结构的分析方法
从加强结构的定义可以看出,计算结构的超强,关键一步是计算结构实际的极限承载能力,而结构实际的极限承载能力可以由结构的整体能力曲线得到。本文将用静力弹塑性方法(Pushover方法)和动力时程分析法给出结构的整体能力曲线,进而分析两种方法得到的加强结构系数的区别。确定结构的极限承载力之后,结构的超强系数就可以利用结构的极限承载力除以结构的设计强度计算得到。
3 结构整体能力曲线
一个单自由度体系的抗震能力曲线是确定的,不论体系受动力特性还是静力荷载作用,它仅取决于体系本身的特性,但多自由度体系的能力曲线就是不确定的了,它不但取决于体系本身的特性,还取决于荷载过程。对于特定地震动,进行动力时程分析得到能力曲线的方法如下:地震动输入强度较小时,结构的基底剪力与顶点位移基本保持线性关系,逐渐增加地震动强度,使结构充分发展塑性,这样就可以得到相应于各条地震动的基底剪力与顶点位移的关系曲线,即:能力曲线。以本文给出的四类场地的80条地震动记录为基础,利用动力时程分析法给出的4个钢筋混凝土框架结构的平均整体能力曲线见图3,从图中可以看出,在利用动力时程分析法确定结构的能力曲线时,地震动记录的场地条件对结构的能力曲线影响不大,误差完全在可接受的范围之内。为简化起见,本文将所有地震动记录给出的平均结构能力曲线作为计算加强结构系数的根据,不考虑场地条件对结构能力曲线的影响。
4结语
本文首先严格按我国规范要求设计了4个典型钢筋混凝土框架结构,分别利用动力时程分析法和Pushover方法确定了结构在非弹性阶段由于内力重分布而形成的超强,得到了以下结论:(1)利用时程分析法建立结构的整体能力曲线时,地震动记录的场地条件对结构的能力曲线影响不大,误差完全在可接受的范围之内。(2)动力时程分析法和Pushover方法给出的所有结构的超强系数均大于2,其中由动力时程分析法给出的16层框架结构的超强系数达到了4。(3)对所有的结构,广义乘方分布模式给出的超强系数都是最小的,倒三角形分布模式给出的超强系数次小;均匀分布模式和动力时程分析法给出的超强系数随结构层数的不同而不同,当层数较少时,均匀分布模式给出的超强系数比动力时程分析给出的超强系数大;随层数的不断增多,均匀分布模式和动力时程分析法给出的超强系数之间差距不断缩小,最终,动力时程分析法给出的超强系数大于均匀分布模式给出的超强系数,且高的程度随层数的增多而增加。(4)动力时程分析法和Pushover方法给出的超强系数的差别随层数的增多而增大,这是由于当层数较多时,结构的高振型效应变得显著,从而使得Pushover方法的应用受到了限制。(5)在还没有进行大量细致的工作和研究之前,可以保守地认为严格按我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的超强系数最小值为2。
参考文献
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