【摘 要】
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梁和柱作为框架结构的主要构件,其强度和刚度是分析结构受力及保证结构抗震性能的重要指标。现行基于力的结构抗震设计方法中,梁、柱构件在弹性阶段所受到的内力主要依据构件的刚度关系进行确定,而一旦构件/结构进入弹塑性阶段,结构的抗震性能更多地取决于梁、柱构件的强度及变形能力。因此,梁柱刚度比和柱梁强度比之间是否存在匹配要求?强柱弱梁系数(以下简称为“强柱系数”)和梁柱线刚度比的匹配关系是否会成为影响框架结
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梁和柱作为框架结构的主要构件,其强度和刚度是分析结构受力及保证结构抗震性能的重要指标。现行基于力的结构抗震设计方法中,梁、柱构件在弹性阶段所受到的内力主要依据构件的刚度关系进行确定,而一旦构件/结构进入弹塑性阶段,结构的抗震性能更多地取决于梁、柱构件的强度及变形能力。因此,梁柱刚度比和柱梁强度比之间是否存在匹配要求?强柱弱梁系数(以下简称为“强柱系数”)和梁柱线刚度比的匹配关系是否会成为影响框架结构合理破坏模式的影响因素,就成为本文的主要研究目标。基于以上目标,本文以钢筋混凝土框架结构为研究对象,主要工作如下:(1)在8度0.2g区,设计6个不同梁柱线刚度比的钢筋混凝土平面框架结构算例,对每个算例依次匹配3组不同的强柱系数,通过非线性分析软件Perform-3D对18组算例进行大震作用下的非线性时程反应分析,以此来考察不同梁柱线刚度比算例与不同强柱系数匹配下结构的破坏模式。根据分析结果评估不同梁柱线刚度比算例所需要匹配的强柱系数。(2)引入改进的Park-Ang双参数损伤模型,从构件、层及结构三个不同层次来定量评价不同梁柱线刚度比与不同强柱系数匹配的算例损伤程度。首先通过构件损伤来考察梁、柱的相对损伤情况,再选用适当的组合加权方式,得到层损伤和结构整体损伤,最后用层损伤分布来评估层屈服风险,结构整体损伤作为评判结构破坏模式的量化指标,为梁、柱之间强度与刚度合理匹配的定量取值提供依据。通过以上研究工作,主要有以下结论:(1)梁柱线刚度比和强柱系数对结构的抗震性能都有一定的影响,在梁柱线刚度比取值相同时,提高强柱系数可以改善结构塑性铰分布格局,降低柱端塑性铰出现的概率,减小柱端塑性铰转动程度,但对结构侧向变形和整体非线性耗能的改善效果并不明显,而梁柱线刚度比对结构的侧向变形和结构非线性耗能的影响较大,因此,梁柱的刚度关系对于结构侧向变形和整体耗能的改善效果明显强于梁柱的强度关系。(2)非线性分析结果表明,无论梁柱线刚度比的取值大小,当强柱系数取1.5时,按照规范设计的8度0.2g区的二级抗震框架结构有发生层侧移屈服的情况,表明在8度0.2g区规范规定的强柱系数偏小;提高强柱系数为1.8时,结构基本实现了以梁铰为主的梁柱混合铰屈服机制,但当梁柱线刚度比为1.158甚至更大时,即使将强柱系数提高到1.8,结构仍然有发生层侧移屈服的概率,因此,对梁柱线刚度比大于1.1的框架结构,在设计时建议强柱系数取2.0,以此保证结构在地震作用下达到合理的破坏模式。(3)基于改进的Park-Ang双参数破坏准则,通过计算结构的损伤指数可知,提高强柱系数可以明显降低柱构件的损伤指数,梁柱的相对损伤比增大,有利于强柱弱梁破坏模式的实现。通过层损伤和结构整体损伤的量化指标分析,验证了结构的刚度与强度具有一定的匹配关系,建议随着梁柱线刚度比的增大,强柱系数也应相应增大。(4)当梁柱线刚度比过小时,因梁构件的严重损伤甚至失效,可能导致结构整体损伤指数增大,即使通过强柱系数保证了柱不会发生破坏,结构也会因为较多的梁失效而导致结构整体抗震性能不足。因此基于本文分析,初步建议在8度0.2g区对框架结构进行设计时,梁柱线刚度比不宜小于0.32。
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