对一、二级抗震混凝土框架结构“强柱弱梁”、“强剪弱弯”措施的量化识别

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到目前为止,包括最近国外发表的权威性高层建筑结构设计导则在内,各国设计规范都认为“能力设计”原理是近代抗震钢筋混凝土高层建筑结构延性设计中与抗震承载力设计用地震作用水准的选择、结构侧向刚度的保证、强震下结构非弹性侧向变形反应的控制等一起形成的主要设计内容之一。  根据最新一代理解,“能力设计”原理包含以下两项主要内容:①通过设计措施引导结构中的强震非弹性变形发生在预计的有利部位,以使结构充分发挥其延性能力;同时通过构造措施保证所有发挥非弹性变形的部位具有所需的延性能力;②通过设计措施保证在直至预计的强地面运动反应过程为止,在结构的任何部位均不致先期发生各类非延性失效。而且新一代设计导则还明确提出了应以设计中选定的强地震地面运动水准作为确定能力设计原理中各项措施定量取值的依据。  以上述新一代思路为鉴,考察我国《建筑抗震设计规范》及《混凝土结构设计规范》的有关能力设计措施,可以发现这些措施中的量化规定目前仍处于经验性判断阶段。为了给出上述两本规范的进一步完善和优化提供有效建议,论文作者所在学科点专门立项研究钢筋混凝土抗震结构的能力设计措施的改进问题,认为有必要参考国外设计规范及导则提出的新一代能力设计原理的思路,设法给出对中国规范能力设计措施中量化规定的有理论依据的验证。为此,经所在学术团队讨论,本人学位论文应主要完成下列分析研究工作。  ①国内外虽已有若干学术团队对拟三维及三维受力的框架结构在相当于罕遇水准的多条地面运动输入下的柱抗弯能力增强系数取值做过分析,但对取值原因从未涉及。为此基础上,本论文拟以8度0.2g、8度0.3g及9度区严格按中国规范设计的多层多跨框架结构为例,进一步考察在柱抗弯能力增强系数取值从小到大的变化过程中,这些类别结构在多条地面运动输入下的非弹性动力反应特征,特别是其中的塑性铰形成格局与塑性转动程度。根据分析结果及设计效果全面评价柱抗弯能力增强系数的合理取值。同时,重点说明导致这类增强系数取值的主要结构动力学原因。  ②参照国外校准能力设计措施定量规定的建议思路,从以上各类框架结构的分析结果中总结出在不同柱抗弯能力增强系数取值条件下,梁类构件和柱类构件作用剪力增强系数的合理取值范围。并给出导致这种取值水准的结构动力学起因。  本论文从已完成的上述系列分析研究中得出的有关框架结构柱抗弯能力增强系数合理取值的主要初步结论有:  ①经综合分析后认为,柱抗弯能力增强系数的取值主要是为了在强震下降低柱塑性铰形成的几率,减小柱的塑性转动需求,以便防止在结构中形成层侧移机构和避免在柱端形成引起柱截面混凝土整体压溃的屈服后变形。不宜追求不出现柱端塑性铰而导致柱抗弯能力增强系数取值过大,造成柱纵筋用量的不合理增长和施工困难。  ②为达到以上目的,需要一定大小的柱抗弯能力增强系数。这种系数主要反映了罕遇水准地面运动在结构构件中引起的弯矩与结构构件实际抗弯能力之间的差异;这种差异是在结构非弹性动力反应过程中构件之间非弹性抗弯刚度不断调整、各层非弹性侧向刚度不断调整所引起的结构内力重分布和动力反应模态特征的变化所造成的构件弯矩分布规律(或反弯点位置)的调整过程中形成的。  ③由于上述影响柱抗弯能力增强系数取值的因素具有整体结构动力反应特征,故柱抗弯能力增强系数不宜按各节点平衡条件确定,而宜根据整体分析结果直接对柱截面组合弯矩乘以规定的增强系数。  ④8度0.2g区、8度0.3g区和9度区的模型框架结构分析结果表明,在柱抗弯能力增强措施的取值上这几个设防水准地区的结构不存在明显差异,故建议今后将8度、9度区的柱抗弯能力增强系数取为统一值,具体建议c?取成例如为1.6左右。  在以上系列分析研究基础上所得出的各类构件作用剪力增强系数取值方面的主要初步结论有:  ①剪力增强系数反应的是在罕遇水准地面运动输入所引起的非弹性动力反应状态下各类构件实际作用的剪力与抗震承载力设计中相应类别构件组合剪力之间的比值。其中,既反映了罕遇水准地面运动引起的作用剪力与多遇水准地震作用参与形成的组合剪力之间的差距,又反映了在强地面运动下各结构构件抗弯刚度以及各楼层侧向刚度不断调整的过程所导致的内力重分布及动力模态特征变化的影响。  ②到目前为止,各类规范习惯取用的以各类构件脱离体平衡条件为出发点的作用剪力增强系数确定模型只能认为在例如确认所有梁端均进入屈服后变形状态的少数条件下可以继续适用。而非弹性动力反应分析结果表明,即使是在8度和9度地震作用较强的框架结构中,也极少有可能在全部框架梁端同时形成屈服后变形状态。因此,本论文认为,更为合理的做法是通过已完成的各类框架结构的非弹性动力反应分析,总结出作用剪力增强系数的合理取值水准,并用其直接乘以相应构件的弹性组合剪力。  ③鉴于即使是在8度和9度地区,在多遇水准地震作用参与组合的受力状态下,梁两端也很难保证形成一正一负弯矩的作用状态,导致分析所得梁的作用剪力增强系数比目前规范取值偏大;建议对8、9度区框架结构取值例如在1.3~1.35之间。  ④由于柱截面设计所用组合内力已包含有较大的柱抗弯能力增强系数,故用这样的柱端弯矩在柱脱离体上算得的柱内作用剪力在多数情况下均已大于罕遇水准地面运动输入下在柱内形成的实际作用剪力。因此,目前设计规范对柱作用剪力增强系数的取值明显偏大。分析结果表明,对8、9度区,在不乘柱抗弯能力增强系数的柱截面组合弯矩的基础上,以统一取作用剪力增强系数为1.5~1.55为宜。
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