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汶川地震中大量框架结构柱端先于梁端破坏,甚至引起倒塌,并没有形成抗震规范所倡导的“强柱弱梁”破坏机制。柱端弯矩增大系数(钢筋混凝土框架结构)或强柱系数(钢框架结构)、楼板及填充墙对梁承载力和刚度的增大作用、材料超强等因素影响了“强柱弱梁”破坏机制的实现。此外,抗震设计规范中未考虑斜向地震作用也是重要因素。实际框架结构破坏机制由结构自身抗震性能和地震作用共同决定。实际地震动作用方向具有随机性,且框架结构抗震性能最不利方向未必沿主轴方向。因此,有必要探讨斜向地震作用对钢框架结构的破坏机制的影响。 (1)利用有限元分析软件ABAQUS,分析了轴向和斜向加载对各向截面惯性矩均相等的方形柱和十字形柱屈服承载力等的影响。结果表明,方形柱屈服承载力随加载角度的增大而降低,十字形柱屈服承载力增大。45度加载时二者屈服承载力分别为轴向加载时的95.1%和120%。从构件承载力层面说明斜向地震作用影响钢框架结构破坏机制,同时为实例钢框架的柱恢复力模型的选取提供理论依据。 (2)节点梁柱破坏次序能够有效说明框架结构破坏机制,因此,对框架梁柱节点受力分析,表明斜向地震作用时实现“强柱弱梁”的强柱系数不应小于√2。进一步考虑结构空间性的影响,本文设计、制作了主轴方向强柱系数为1.35规则、均匀钢框架结构。通过沿主轴和45度方向输入模型振动台试验研究,表明主轴方向满足“强柱弱梁”的钢框架结构,45度地震作用时,柱先于梁破坏。利用ABAQUS对试验模型建模分析,对比研究了沿主轴方向0度、15度、30度、45度加载的静力、动力弹塑性分析下,节点梁端、柱端应力与应变、层间剪力与层间位移角关系、基底剪力与顶点位移关系等内容。结果表明,有限元模拟能够较好的分析斜向地震作用对钢框架结构破坏机制的影响。进一步分析了模型层间变形的均匀性,表明斜向地震作用框架结构越易形成薄弱,不利于结构抗震。 (3)为了探究上述研究结论的实际应用意义,利用SNAP软件对工程实例钢结构框架进行推覆分析和动力时程分析。从塑性铰发展、层间剪力与层间位移关系、滞回耗能能力等内容,进一步研究了偏X轴方向(0度、15度、30度)和偏Y轴(0度、15度、30度)、45度地震作用对钢框架结构破坏机制的影响。与钢框架结构模型研究结果相同,即斜向地震作用改变了实例钢框架结构的破坏机制。建议抗震设计考虑斜向地震作用的影响。