高强度钢材钢框架抗震设计分析

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钢结构采用高强度钢材可减小构件截面、减轻结构自重、降低建造成本,在大跨及高层钢结构中已有较多应用案例,但在如住宅和办公楼等普通民用建筑的结构中,高强钢的应用还比较少。由于高强钢和普通钢在材料特性上的差异,高强钢结构的地震响应与普通钢结构相比会有一定差异。我国现行结构设计规范尚未对高强钢结构的抗震设计做特别规定,而依据现行规范对高强钢结构进行抗震设计是否合理,亟需进行专门研究。本文以北京某一办公楼为工程背景,依据现行抗震设计规范,分别使用高强钢与普通钢进行结构抗震设计。对比分析了设计结果,并对设计算例进行了动力时程分析。采用数值模拟和理论分析的方法研究了钢材强度和板件宽厚比对框架抗震性能的影响。主要内容如下:(1)针对原型建筑设计三个钢框架,框架柱分别采用Q345、Q460和Q690钢材,梁均采用Q345钢材。对比了各框架在小震弹性反应谱分析中的周期、刚度、变形以及用钢量,分析了按照现行规范进行抗震设计时,高强钢框架相对于普通钢框架的优点与缺点。(2)采用经验证的有限元模型,在有限元软件ABAQUS中对三个框架算例进行建模。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010),选取三条地震波,对三个框架算例在三条地震波大震与小震水平下的动力时程反应进行了模拟。(3)对前述原型建筑实际工程按照《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)中的S2、S4截面宽厚比限值分别设计了6个不同的钢框架,与前述的3个钢框架算例一起,使用ABAQUS有限元软件进行建模,对框架模型进行了静力推覆分析与动力时程分析,并采用ATC-19中提供的方法计算了不同框架的地震力折减系数。通过对比不同板件截面宽厚比、采用不同钢材强度柱的钢框架地震力折减系数,对采用S4截面并按照抗震规范进行设计的高强钢框架提出了设计建议。
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