框架—剪力墙结构弹塑性地震剪力分配规律及其应用研究

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框架-剪力墙结构作为常用的高层建筑形式,是由受力特征及变形模式不同的框架与剪力墙组成双重抗侧力结构体系。多遇地震作用下,框架剪力墙结构处于弹性,按构件的弹性刚度分配地震作用,剪力墙承担大部分地震作用,框架承担地震作用较小;在罕遇地震作用下,结构将进入弹塑性,框架及剪力墙刚度退化情况不同,地震作用在框架与剪力墙之间重新分配。为了体现多道防线抗震设计思想,规范规定了框架剪力墙结构框架部分剪力应做调整。针对这一问题,本文通过理论推导,结合数值模拟,系统研究了框架剪力墙结构在地震作用的剪力分配规律及产生原因,并进一步对规范调整方法合理性进行验证,完成的主要工作如下:建立了“弯曲-剪切”简化模型并探究剪力分配的规律。参数化分析表明框架剪力墙结构的刚度特征值是影响内力分配的关键因素,相同刚度特征值,结构剪力分配情况保持一致;多遇地震下,底部楼层的框架剪力分配均小于0.2V0;设防地震下,由于剪力墙屈服后内力重分布主要发生结构底部几层,框架部分的剪力均超过规范剪力调整限值0.2V0及1.5 Vfmax。介绍了框架剪力墙结构基于纤维单元的数值模拟方法,并结合已有的构件试验和结构试验验证数值模拟的准确性。研究表明纤维梁柱及剪力墙单元能够准确模拟框架柱、框架结构及剪力墙低周反复加载下结构屈服、刚度退化及捏缩效应等滞回性能;基于纤维单元的整体结构数值模型,周期与试验基本保持一致,大震顶点位移时程曲线与试验拟合较好。建立了基于纤维单元的框架剪力墙结构弹塑性分析模型,研究其在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的剪力分配规律并评估结构抗震性能。研究表明,罕遇地震作用下,由于底部加强区剪力墙屈服刚度退化,结构的剪力重分配主要发生在结构底部楼层,底部框架承担剪力增大;而对于上部楼层,框架梁的屈服,抑制了框架柱的剪力增长,使得上部楼层剪力墙承担地震剪力增大。因此,对上部楼层进行剪力调整会推迟框架梁出现塑性铰,并放大框架柱在罕遇地震下的剪力,对框架柱受力更为不利。研究了基于规范调整方式对不同刚度特征值框架剪力墙结构梁柱的配筋影响,并进一步比较了剪力调整与否对结构罕遇地震抗震性能及抗倒塌能力的影响。研究表明,剪力调整对柱配筋影响较小,对梁配筋影响较大。考虑剪力调整使罕遇地震下结构顶点位移、层间位移角略有减小,梁端承载能力提高,塑性铰转动需求降低,同时使框架柱承担剪力增大,使上部楼层框架柱在大震下更容易屈服,对框架柱的受力更为不利;易损性分析表明,剪力调整与否对结构抗倒塌能力影响很小。综合以上分析,本文建议在保证强柱弱梁和塑性铰转动能力的前提,可以不必采用框架剪力调整。
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