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多层轻钢框架结构具有良好的结构性能,利于灵活的建筑布置,易于工业化和产业化生产,加快施工周期,符合可持续发展要求等优点,因而,在国外已广泛应用于多层建筑。近年来,随着我国钢产量的快速增长,人们对结构性能要求的提高以及国家技术政策的倡导,多层轻钢框架结构已经在我国多层住宅、公共建筑、办公楼和工业厂房中得到了应用,发展前景广阔。但是对这种结构的研究还缺乏深入、全面的研究,尤其是结构的抗震性能。
本文首先阐述了廿世纪九十年代美国和日本地震中出现的钢框架结构的破坏特点,分析了它们的破坏的原因。对国内外抗弯钢框架及其梁柱刚性连接抗震性能的研究,特别是美国和日本地震后取得的最新研究成果进行了详细的综述。在此基础上,创新地提出了梁端部翼缘楔形增大新型钢框架梁柱连接节点。
作者在我国首次对采用普通节点、梁端部翼缘楔形增大节点及梁翼缘局部削弱“狗骨”式节点三种不同节点构造的2跨2层轻钢框架模型进行了低周反复加载试验研究,结果表明轻钢框架具有良好的抗震性能,节点域具有很好的耗能能力,采用梁端部翼缘楔形增大节点和梁翼缘局部削弱节点的框架,梁上塑性铰首先出现在截面最小处或截面改变处,达到了使梁上塑性铰远离梁、柱交界处的目的。
节点域是轻钢框架重要的耗能部位。本文把节点域处理为杆端刚域和转动弹簧单元,概念清楚、方法简单,并在转动弹簧单元的强度和刚度中考虑了柱翼缘的贡献。
对三种不同节点轻钢框架进行了弹性及弹塑性地震响应分析,研究了不同计算模型、不同地震波、不同跨度及P-A效应的轻钢框架弹性及弹塑性地震响应。表明不考虑节点域剪切变形的计算模型低估了结构的最大顶点位移、最大层间位移角,而高估了结构的底部最大剪力。同时表明,仅考虑重力荷载下的轴力影响的P-△效应对轻钢框架弹塑性地震反应的影响很小。
本文运用静力弹塑性分析方法对三种轻钢框架进行了抗震性能及结合我国规范反应谱的抗震能力评估研究。研究了不同计算模型、不同水平加载方式、P.△效应对三种轻钢框架顶点位移与基底剪力关系曲线、塑性铰的分布和出铰顺序及抗震能力评估结果的影响,比较分析了三种轻钢框架的能力曲线、耗能机制和抗震能力。研究表明不同计算模型的屈服机制有很大区别。研究同时表明对刚度和质量较均匀的多层轻钢框架采用水平荷载模式2进行弹塑性分析是较合适的;P-△效应会降低轻钢框架的承载能力,但对弹性结果影响非常小;采用梁端部翼缘楔形增大节点框架的抗震能力大于另二种框架结构。
本文作者在试验研究和理论计算分析的基础上,结合前人研究成果,对轻钢框架的抗震设计进行了讨论。给出了三种不同连接节点的轻钢框架的抗震设计计算和抗震构造建议。