不同设计方法控制RC框架结构强震破坏模式效果的对比分析

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强震中实现预期的延性破坏模式是保证钢筋混凝土结构大震或超大震抗震性能的决定性因素之一。各国规范都采取了设计措施期望控制RC框架结构在强震中出现其倡导的“强柱弱梁”延性破坏模式。遗憾的是,汶川地震中我国抗震规范采取的能力设计措施并未有效的实现其所倡导的延性破坏模式,框架结构几乎全是柱铰破坏模式,这引起我们对规范控制破坏模式的设计措施有效性的反思,如何才能有效合理的实现预期的强震破坏模式是亟需面对和解决的难题。本文对不同国家采用的促使框架结构实现“强柱弱梁”破坏模式的设计措施进行了对比分析;借鉴有代表性的日本规范基于大震内力的预设破坏模式设计思路和新西兰规范考虑高振型影响的随结构周期变化的“强柱弱梁”调整系数的做法,分别采用中国、新西兰和等效线性化大震设计三种方法设计8度0.2g区5层、10层和13层3组算例,对比其经济性,并通过弹塑性动力时程分析,考察了其控制框架结构强震破坏模式的效果。研究得到的主要结论有:(1)中国、美国、欧洲、新西兰等国采用基于小震弹性内力的“强柱弱梁”能力级差调整措施引导框架在强震下出现预期的破坏模式,中、美、欧等国针对不同情况采用相应固定的强柱弱梁系数,新西兰规范提供了一种最为严格的考虑高振型影响的随结构周期变化的强柱弱梁调整方案;而日本则直接基于大震内力进行预期破坏模式设计,这种方法一定程度上考虑了结构强震下的内力重分布,在理论上具有优越性。新西兰和日本的做法值得借鉴。(2)本文采用的等效线性化方法计算框架结构在大震下的地震反应与弹塑性时程结果相比,层位移和层间位移角吻合较好,但楼层剪力普遍比弹塑性时程结果大,表明采用的等效线性化方法设计框架柱截面是偏保守的。(3)通过对比三种方法的单榀框架配筋量发现,楼层数较少时,新西兰规范做法相对较小,楼层数较多时,新西兰规范做法约为中国做法的1.1倍;等效线性化大震设计方法约为中国做法的1.1倍。(4)我国8度0.2g区的框架结构在大震作用下,中国规范算例出现以梁铰为主的梁柱铰破坏模式,柱铰位置以框架柱底和结构上部中柱为主,满足“大震不倒”的要求;新西兰规范和等效线性化大震设计方法算例基本出现梁铰机制,少量柱铰出现在结构楼层数较少时的底部。在超大震作用下,中国规范算例出现大量柱铰,甚至有时形成层屈服柱铰机构,新西兰规范和等效线性化大震设计方法算例上部楼层和结构底部出现柱铰,但相对中国规范来说柱端出铰率、出铰程度较低;楼层数较多时,新西兰规范算例除结构底部柱底出铰外其他部位全是梁铰,控制效果较好。总体来说,新西兰规范和等效线性化大震设计方法比中国规范控制出现预期的梁铰破坏模式更为有效,框架层数较多时,新西兰规范更为有效,楼层数较少时,等效线性化大震简化设计方法更为有效。本文最后分析了目前研究的不足,并对后续工作提出了建议。
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