支撑钢框架在循环荷载作用下破坏机理及抗震设计对策.pdf
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1、内蒙古科技大学 硕士学位论文 支撑钢框架在循环荷载作用下破坏机理及抗震设计对策 姓名:刘爱廉 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:赵根田 20060518 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术和经济建设的发展,钢结构在现代建筑中的地位越来越重要。历次强 烈地震表明,采用钢结构的建筑均具有良好的抗震性能。但传统的抗侧力体系不能经济 合理的满足抗侧刚度和延性等抗震要求。 偏心支撑框架结合了中心支撑框架的强度、刚度高和普通抗弯框架的延性、耗能性 能好的优点,耗能梁段的非弹性变形可以耗散大量输入结构的地震能量。它是一种改进 了的新型抗侧力体系。因此,分析偏心支撑钢框架在地震作用下的
2、响应及破坏机构,不 仅具有理论意义,而且具有很大的应用价值。 本文首先论述了支撑框架的计算原理及国内外发展概况。重点讲述了耗能梁段的 受力性能。 利用有限元程序A N S Y S 对纯弯框架、中心支撑框架和偏心支撑框架进行了非线性 分析,讨论各个受力阶段框架的应力分布情况,比较三种框架结构在延性、刚度、极限 承载力和耗能能力等方面的不同。 另外,本文利用有限元程序分析了支撑截面、耗能粱段长度、高跨比、加劲肋间距 和腹板厚度等对K 形偏心支撑框架刚度、延性和耗能能力等结构性能的影响。在此基 础上,提出了K 形偏心支撑框架初步取值方法,供工程应用参考。 最后,在总结全文工作的基础上,提出了本课题有
3、待进一步研究的问题。 关键词:偏心支撑框架中心支撑框架 耗能性能延性抗侧刚度 内蒙古科技大学硕士学位论文 T h eM e c h a n i s mo fB r a c e dS t e e lF 腿m 鼯U n d e r C y c l j cL o a da n d t h e A s e i m a t i c D 髂i g nM e t h o d I S 琢A 研 S t 酬s 呲t u r e sa 瑶p l a y i n gm o r e 卸dI n o 把m l ej 1 1m o d e f l 】s 仃啦n H e 谢t ht e c I l I l o l o g
4、ya n d e c o l l o m y A Up 豫v i o u se a r t h q u a l 【ew 黜i n 击明自e d1 1 1 a t 舭lf 舳e 曲呻舳s 珥v ew e l l a s d s m a 缸eh 哇扭v i o r - B u td l l et o 扛;戚石。豫l 戚s t 蛐“龆a ls y s t e m s ,吐鼯l a t e f a lI i 舀斑垮a n d d u c 石“t yo f s t e d 蛐m c t 【I r e sc a tm “厕鲫瞳枷c 掂n a n d s E 鲥c a l l yh a d 衄n c s 咖
5、n b i m st b cg 嘞g 吐1a n d 鲥矗 翳so fc 0 眦锄埘c a J l yb r a c c d f h 埘帕sw i 也m e 证e 蜥cb e k I v i o fa n de n e r g yd i 辅i p 毗i o n “m 便n e r I t _ r 瞄i s t i n g 丘a m e s ,i n e I a s t i c d e f o 】m 撕o no fl i l l l 【m a yd b s a I bs e i s i I n i ce 嘲钌ni sal d n do f 陀缅e d 佗s i s t a I I I - l 砒
6、e r a l s y s t e m S ot h cm l a I y s i sa :b o u c 他s p 帅a n dc 0 收I p m c c I l a n i s mo fe o 。e m d 。a l l yb m c e df a m e s u n d e r i s n l i cl 舶d i n ga 陀肿to n I ys i 鲥矗锄ti nl l l 枷I 船p e 咖a l s oi f r 印咖ti np r 捌c e F h m l y m i sp a p e rp 孵辩mt kt I _ f yo fb I a o e d 丘 m l e sa n
7、dr e l 州a 眦d w d o p i n gs i t u a 土i o na l h o m ea n da b 嘲唧o c i a l l yt l l e 蜘p f o p e 而葛o f l 址 B e I l a 埘o ro f m o I n e n t 姑醯曲1 9 血蚰髓,c 0 眦日l 打谳1 yb 舟c e d 触n e sa I l de c c 锄埘c a l l yb r a d 如m e sa r e 蠲a l y z e d 、i 也国i n e a rf i 伍t e 昧期e n tA N S Y S m e l l l o d ,s 拄e 骚成s 晒b
8、 砸n go f 蠹a f n e l l I l d e r 谢a ll 油gc 0 蛐伽a md i s c 吣s c da n dt I l e 血蒯i 移,蚶饪h 麟,山向喵钯n g 明删t y a l l dd j s s i p 砸o f t h e1 1 1 r 爵a m 髂a r ec o m p 目酉毗 A n o l l 埒r ,l l s i I l gt l 七3 Dn 0 1 1 I i n e a rf i l l i t ee k m e mm 劬o d ,t h ee 脯c to fb 瞅s e c t i o 也l i | 1 l 【 l e n g 札蛐m
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10、 I r yd e s i g nf - o rp r a 甜c c S 0 m ep 洲咖s 曲o u t l 量l i s 嗡酬曲n l a l 伽咖b es 咖i c d 慨p l l t f 0 1 w a r d 洒t l l ee n do f t l l i s t l l e s i s K e yW o r d s :n t r 妇埘b 髓c e df h m e s 嗍懒l 睁b 憎c 酣f h m e s 蚰e r 雩yo 啷n p 蜘nc a p | l c i 饥d u c 在l i 慨件正蛐蛆t - h 删一g i d i t y 2 独创性说明 本人郑重声明:所里
11、交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得内蒙古 科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 签名:翅夔i 熬 日期:趁:! g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布 论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定
12、) 签名:丕) 鹱鏖导师签名R 【刍主= 单日期:垒仨正! - 上L 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 随着社会经济发展,科学技术进步,城市用地面积减少,高层建筑结构越来越受到 青睐。钢结构因其自重轻、抗震性好、机械化水平高、施工周期短、易于改造和加固等 特点在高层结构中广泛应用。钢材具有良好的延性,在地震作用下,钢结构能减弱地震 反应,具有抵抗强烈地震的变形能力,是高烈度地区首选的结构材料之一。 建筑物的抗震设计应满足三个水准的基本要求,主要是:在。小震”作用下结构处 于弹性状态且不导致结构构件破坏,因此结构应具有足够的承载力和弹性刚度,以减少 结构的层间位移;而在“大震”
13、作用下结构不倒塌,这就要求结构在大的非弹性循环荷 载作用下具有大的耗能能力。中心支撑结构体系具有较大的剐度,但这种结构延性差, 在地震作用下,受压杆屈曲之后,整个结构的水平刚度及承载力会下降,严重时会导致 整个结构破坏。框架结构体系具有良好的延性,较强的耗能能力,但如果要获得足够的 刚度,则梁柱的截面尺寸会过大,造成强度上的浪费。偏心支撑结构体系能够满足上述 两个抗震设计标准,因而抗震规范规定在高烈度区,偏心支撑结构体系是首选的结构形 式之一。 1 2 多重抗侧力体系框架? 支撑体系 根据建筑抗震设计规范( G B 5 0 0 n 一2 0 0 1 ) 中的有关规定,抗震结构体系应具有 明确的
14、计算简图和合理的地震作用传递途径;宜有多道抗震防线,应避免因部分结构或 构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力;应具备必要的强度、良好 的变形能力和耗能能力。 随着建筑物向高度的发展,控制结构设计的主要因素也由竖向荷载转变为水平荷 载。因而建筑中的抗侧力体系成为整个结构中最重要的组成部分,它决定着整个结构体 系的选形以及结构的整体抗震性能。位于地震区的高层钢结构,其结构体系应有合理的 传力途径,即最短、最直接的传力路线。考虑到地震时某些部位可能遭到破坏,因此为 使整个结构的传力路线不致中断,结构体系最好能具备多条合理的地震力传递途径,并 设置多道抗震防线。对于单一抗侧力体系,构件
15、破坏后,在后续的地震以及强烈余震作 用下很容易倒塌:而如果采用具有多道抗震防线的双重或多重摅侧力体系,那么在第一 道防线的抗侧力构件破坏后,还有第二道防线甚至第三道防线来替补:而且,此时的结 构侧向刚度已经减小很多,使第二道防线要承担的地震作用也相应减小,从而增强了结 构的抗倒塌能力。 无论如何,我们可以看出第一道防线的选择是至关重要的。第一道防线的构件首先 内蒙古科技大学硕士学位论文 受到地震的冲击,破坏在所难免;如果这个构件又是重要承重构件,那么它的破坏对整 个结构的影响是不堪设想的。所以,最好利用结构的赘余构件来充当第一道抗震防线。 因此,挑选受弯且轴向荷载小的构件充当第一道防线,可以提
16、高结构的延性,并在第一 道防线破坏过程中耗散更多的地震能量,更好地保护第二道防线和重要构件“。 根据上面论述来分析,框架一支撑体系即为一典型的双重抗侧力体系,支撑作为第 一道抗震防线,框架则为第二道:如果再采用偏心支撑来形成耗能梁段,充分发挥耗能 梁段的抗弯性能,正好符合了上文选择受弯构件充当第道防线的要求,还可以保护支 撑斜杆免遭过早弯曲,相应地延长了结构的抗震能力的持续时间。 文献【2 】中提到的框架支撑结构中的框架与支撑的变形协调和相亘作用是这样 的:1 ) 水平荷载作用下,框架属剪切型构件,支撑近似于弯曲型构件,通过刚性连杆 ( 刚性楼盏) 的协调,使两者的侧向变形趋于一致。2 ) 水
17、平荷载作用下,在结构的下 部,单独支撑的侧移量小( 图1 - 2 1 a ) ,单独框架的侧移量大( 图卜2 一l b ) ;在结构 的上部,正好相反。各层楼盖为使两者侧移协调一致,支撑与框架之间产生相互作用 力,在结构的上部为推力,在结构的下部为拉力( 图l - 2 一l c ) 。3 ) 框架与支撑相互作 用的结果,使结构顶部的侧移值减小,结构下半部的侧移角减小。在这样的结构体系中 不仅因为有较刚、较强的支撑作为主要抗侧力构件,还因为支撑与框架的相互作用,大 大减小结构下部的较大层间侧移角,使各楼层的层间侧移角渐趋一致。这样一来房屋的 层数可以比框架体系楼房增加较多了。 单独支 ( a )
18、 ( b ) ( c ) ( 矗) 单捌0 溯向变形l( b ) 单剖涞蝴向变形l( c ) 拒离 _ 鼍列孽并联嘲咱啪互作用力 图1 2 - l 框捧体系中支棒与框架的相互作用 框架支撑结构中支撑产生的变形是轴向的伸长和缩短,而框架则受柱和梁弯曲变形 左右,在变形协调情况下,全部水平荷载将集中到支撑上,而框架几乎不受力,当支撑 内蒙古科技大学硕士学位论文 体系在地震中破坏后,水平荷载改由框架承担, 速减小,地震作用也将随之减小“1 。由此可见, 利于实现大震不倒的抗震设计目标的。 1 。3 实现合理的屈服机制 且由于结构侧向刚度随支撑的破坏而迅 偏心支撑应用于高层钢结构,无疑是有 结构要想实
19、现最佳、最合理的屈服机制,需要有如下特征:当结构中某些构件出现 塑性铰之后,整个构件在承载力基本保持稳定的条件下,结构能持续地产生较大变形而 不倒塌,从而最大限度地吸收和耗散地震能量。 结构最佳破坏机制的判别条件是: ( 1 ) 结构的塑性铰发展,宜从次要构件开始,或从主要构件的次要杆件( 或部 位) 开始,最后才在主要构件上出现塑性铰,从而构成多道抗震防线; ( 2 ) 构件的塑性铰,首先出现在各水平秆的端部,最后才在竖向杆件上发生; ( 3 ) 结构中所形成的塑性铰的数量多,塑性变形发展的过程长; ( 4 ) 构件中塑性铰的塑性转动大,整个结构的塑性变形量大。 高层结构构件的屈服机制,可以
20、划 归为两个基本类型:1 ) 总体屈服机制; 2 ) 楼层屈服机制。前者是指构件在侧力 作用下,全部水平杆件的屈服均先于竖 直秆件,最后才是竖杆底端的屈服。可 能发生这种屈服机制的高层结构,有强 柱型框架和强剪型支撑。后者是指构件 在侧力作用下,竖杆件的届服先于水平 杆件,从而导致某一楼层或几个楼层发 生侧向整体屈服。可能发生楼层屈服机 制的高层结构有弱柱型框架和弱剪型支撑圈1 3 - l 总体屈服机镧( 强剪型支撑) 架和弱剪型支撑。图卜3 1 即为一偏心支撑钢框架,发生了总体屈服机制,且为强剪 型支撑。 结构的总体屈服是耐震性最佳的破坏机制。与楼层屈服机制相比较,其优点是: 1 ) 结构在
21、侧力作用下临近倒塌之前,可能产生的塑性铰的数量要多很多;2 ) 总体屈服 机制构件的层间侧移,沿竖向分布比较均匀( 图l _ 3 2 ) :而楼层屈服机制构件的层间 侧移,沿高度方向呈非均匀分布,薄弱楼层的层间侧移因塑性铰变形集中而增大若干倍 ( 图卜3 3 ) ”。 内蒙古科技大学硕士学位论文 线 线 圈1 3 2 总体屈服机秘陶件层问饲移图l 3 - 3 楼层屈服机制构件层间侧移 近年来一些文献“1 记载的日、美等国家的地震灾害情况1 9 8 5 年墨西哥城地震、 1 9 9 4 年美国的诺斯里奇地震和1 9 9 5 年日本的阪神地震都有一定数量的钢结构的脆性破 坏。在这三次的地震中,有钢
22、结构建筑的倒塌和钢柱的脆性断裂,以及支撑屈曲和数量 较多的梁柱节点破坏。其中,在阪神地震中有的建筑出现了柱斗梁一支撑的屈服顺 序,甚至柱子产生了脆性断裂。其原因是多方面的,但从抗震设计方面来探讨,这种情 况类似于上面所述的楼层屈服机制,也违反了“强柱弱粱”的设计原则,对于结构的抗 震性能极为不利的。实际上,结构较适宜发生总体屈服机制。具体到框架一支撑体系, 结构宜具有支撑斗梁。柱的屈服顺序,特别对于偏心支撑钢框架体系,则为耗能梁段 _ 支撑斗梁斗柱的屈服机制。根据上面的论述以及震害的分析可以看出,在地震区的 高层钢结构建筑中,宜尽可能采用偏心支撑,这将是实现预期的合理屈服机制的有效措 施。此外
23、,与竖向支撑直接相连的粱柱构件,其承载力也应符合“强柱弱梁”的要求, 以使粱先于柱子屈服,亦保证了屈服机制的合理性。 1 4 偏心支撑框架结构体系与框架结构体系、中心支撑框架结构体系的比较 框架结构是高层钢结构的常用形式,我们所说的纯弯框架即指的是无支撑框架,它 是由钢柱和钢梁组成的。地震区的高层采用框架结构时,框架的纵、横梁与柱的连接一 般为刚性连接。框架结构的优点是建筑平面布置灵活,能适应多种类型的使用功能,且 结构简单,施工速度快,对层数不超过3 0 层的高层建筑而言,框架结构是一种比较经 济合理、运用广泛的结构体系。同时它具有良好的延性,通过粱端塑性铰的非弹性变 形还能发挥一定的耗能能
24、力。但纯弯框架结构较柔,弹性刚度差,为了控制弹性层间位 移,有时必须采用超过承载力要求的梁、柱截面,不仅失去经济合理性且为单一抗侧力 体系,其破坏程度较大。国外多次震害也表明纯弯框架节点的破坏导致了一定数量的整 体破坏。 支撑一框架可分为中心支撑框架和偏心支撑框架。偏心支撑框架则较好地结合了纯 弯框架和中心支撑框架两者的优点:与纯弯框架相比,它每层加有支撑,具有更大的抗 内蒙古科技大学硕士学位论文 侧移刚度及极限承载力:它良好的延性可与纯弯框架相近,而梁截面却相对较小,比较 经济。与中心支撑框架相比,它可有效地降低地震作用,减少结构的侧移,顶点最大侧 移值约减小1 7 :缩小各楼层层间侧移值的
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