吊脚刚度对结构扭转效应的影响分析

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山地建筑因独特的结构形式以及良好的地形适应性而被广泛应用。作为山地建筑结构中最常见的形式之一,吊脚框架结构存在不可避免的不等高接地柱,水平和竖向刚度分布严重不均匀,使其结构的受力不同于普通框架结构且扭转效应显著。本文通过SAP2000和PKPM软件建立了多个山地吊脚框架结构的三维模型,考察了吊脚坡度、长宽比、跨数、楼层偏心以及特殊构件对吊脚结构的影响。分析吊脚结构扭转效应的规律以及扭转薄弱部位,提出了吊脚结构双向地震动输入的界定指标和范围,针对山地吊脚结构的抗扭方法进行研究并由此给出了相关设计建议。本文得到的主要结论如下:1)普通框架结构在地震作用下受力均匀,而吊脚结构由于刚度分布的差异,使得短柱的刚度贡献率容易达到80%以上,导致结构首层的受力分布严重不均匀,其受力都集中在短柱部位。其次,吊脚首层两侧柱会产生较大的轴力,对结构的影响不容忽略;2)地震作用下吊脚结构横坡向扭转效应是不可避免的,且随着结构坡度、长宽比、顺坡向跨数的增大而增大,结构首层的扭转效应相比其他楼层更加显著。在罕遇地震作用下,吊脚结构最先出铰的部位始终位于吊脚短柱处,且以梁、柱混合铰的形式存在,塑性铰的屈服程度大。以首层短柱为中心,周围的梁、柱构件破坏严重,部分已经失去承载能力(C~D段),导致上部楼层的局部倒塌,而吊脚长柱基本处于弹性并未进入塑性,不满足“大震不倒”的设计要求。扭转位移比虽然可以反映吊脚结构的扭转效应,但其大小需要适当提高或取消对位移比限值的控制;3)剪力增大系数能够很好地反映结构扭转效应与双向地震动输入之间的关系。短柱及楼层的剪力增大系数随偏心率的增大而增大,当吊脚结构首层的偏心率超过15%时,应考虑双向地震动输入;4)吊脚结构设计建议如下:(1)吊脚场地坡度不宜大于40度;(2)短柱提高一级的抗震等级或乘以大于1的配筋增大系数;短柱向基础下部延伸或不设置短柱,尽可能使吊脚部分刚度分布均匀;(3)在吊脚首层柔性边周围设置拉梁、钢支撑及剪力墙等方法,减小长柱的计算长度,提高吊脚部分的抗侧刚度;(4)要求吊脚部分的刚度不小于相邻上一楼层的刚度,避免由于结构刚度突变而形成薄弱层。
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