巨型钢框架—预应力复合支撑体系在水平荷载作用下的破坏性能

巨型钢框架—预应力复合支撑体系是现代高层建筑中的一种新型抗侧体系,本文基于弹性反应谱对其进行抗风、抗震设计,然后在倒三角型分布和均匀分布的两种水平荷载加载模式下进行Pushover分析,研究出该结构体系在不同水平加载模式下的破坏机理,考察其抗侧刚度、拉索受力特征及构件先后出现的屈服机制和结构的整体抗震性能。研究表明,倒三角型分布的结构水平极限荷载和弹性抗侧刚度都小于均匀分布得到的结果;拉索的最大拉应力均未达到屈服强度650MPa,并且随着水平荷载的逐渐增加,一部分拉索拉应力逐渐减少,直至退出工作,而另一部分拉索则在预拉应力的基础上拉应力进一步增大;巨型钢框架—预应力复合支撑体系各构件的破坏顺序为巨型梁腹杆最先出现屈服,而后依次分别是巨型柱肢间的支撑、巨型八字支撑、巨型柱肢间的楼层梁;对该结构体系不能再沿用弹性设计反应谱的方法进行抗震设计,而应采用基于建筑抗震性能化的理念来进行合理、经济的抗震设计。     

巨型钢框架-拉索支撑结构的三种抗震分析方法比较

针对新型巨型钢框架-拉索支撑结构体系的抗震性能,采用Pushover分析、振型分解反应谱分析及时程分析三种方法,分别研究典型巨型钢框架-拉索支撑结构在8度多遇地震作用下的底部剪力和层间位移角。结果表明,三种不同抗震分析方法得到的底部剪力和层间位移角最大值由小到大的顺序均为:Pushove分析、反应谱分析、时程分析。由于时程分析法能更好地反映巨型钢框架-拉索支撑结构顶部的地震作用响应,在评估其抗震性能时应作为其他两种方法的补充。     

兰州新区保障住宅装配式钢结构的抗震性能分析

为了研究兰州新区保障住宅装配式钢结构的抗震性能,采用pushover方法对兰州新区装配式钢结构保障性住宅1#楼进行了罕遇地震作用下结构的弹塑性分析。分析中考虑了倒三角分布荷载和均匀分布荷载两种加载模式,从结构的基底剪力-顶点位移曲线、层间位移角和出铰机制等方面对该结构的抗震性能进行评估。结果表明:(1)两种加载方式下结构性能点处的位移均小于《抗规》规定的罕遇地震下的弹塑性位移限值;(2)两种加载方式性能点处的框架各层层间位移角均满足要求;(3)从出铰机制反应出结构的"强柱弱梁"的性能。     

某交错桁架结构体系动力性能分析

采用数值模拟分析方法,对采用交错桁架结构体系的工程实例进行多遇地震和罕遇地震下的整体受力分析,探讨其抗连续倒塌性能特点。计算结果表明:结构平面布置规则、竖向刚度均匀时,在多遇地震作用下,层间变形较小,各项指标均满足规范要求;罕遇地震作用下,结构最大层间位移角小于规范限值,可实现"大震不倒"的抗震性能要求;交错桁架结构体系的水平及竖向关键构件失稳后,结构端部桁架杆件虽然屈服,但未发生整体稳定性破坏,结构不会发生跨塌;柱发生破坏时,柱端纵梁及桁架形成转换梁效应,将上部柱传递下来的荷载进行重分配,结构不会发生连续性倒塌。     

拉链柱支撑钢框架结构静力推覆试验及数值模拟

为研究拉链柱支撑钢框架结构在水平荷载作用下的承载能力、抗侧刚度、破坏模式以及构件的传力模式等,对一个3层单跨1:2.6缩尺比例的拉链柱支撑钢框架进行了静力推覆试验及数值模拟。结果表明：在对应8度多遇及设防烈度地震作用工况的水平侧移下,结构基本处于弹性工作状态,构件未出现明显失稳现象。在对应8度罕遇地震作用工况的水平侧移下,由于支撑失稳导致结构抗侧刚度明显降低,但结构的承载力并无明显下降,随着加载的进一步进行,因支撑失稳产生的竖向不平衡力主要由拉链柱承担,且该不平衡力由此逐层向上传递,导致顶层支撑的轴压力逐渐增加;当反向卸载时,拉链柱构件承担部分压力,但并未失稳。总体上,结构各构件的受力状态及传力过程与设计目标基本一致,结构在静力推覆试验中表现出良好的受力性能。     

翼墙-框架结构振动台试验研究及有限元分析

为研究翼墙-框架结构在地震作用下的抗震性能和加固效果,进行了一个缩尺比为1∶4的翼墙-框架结构模型振动台试验,得到了结构在烈度为7度的多遇、设防和罕遇地震以及8度、9度地震动作用下的动力特性、动力反应和宏观破坏模式。研究表明:翼墙根部首先受到往复拉压破坏,框架柱得到有效保护,实现了多道抗震防线的目的;梁端出现大量裂缝,基本实现了"强柱弱梁"屈服机制,而纯框架数值模型则呈现典型的柱铰破坏机制;纯框架模型的底层层间位移角显著大于上部各楼层,翼墙-框架模型各楼层的层间位移角大小基本一致,层屈服机制得到有效避免。     

腋板加强型节点钢框架弹塑性动力时程分析

为研究腋板加强型节点钢框架在地震荷载作用下抗震性能,分别建立1∶2缩尺比例的腋板加强型节点空间钢框架(SHF)与普通节点空间钢框架(NSF)的ANSYS模型,通过加载罕遇地震波,分析两种节点类型框架在地震荷载作用下层间位移、最大层间位移角、反应加速度和柱底剪力.研究结果表明:腋板加强型节点框架具有明显的梁铰破坏机制,能显著地将梁端塑性铰外移到远离梁柱节点焊缝部位的梁上;腋板加强型节点框架最大层间位移角均小于普通节点框架,在一定程度上限制结构水平位移,避免结构出现较大变形;腋板加强型节点可以减少框架柱底剪力,结构在强震作用下柱脚剪切破坏程度有所降低.     

框支短肢剪力墙结构中斜柱转换结构抗震试验研究

通过对两榀框支短肢剪力墙斜柱转换结构在竖向荷载及水平低周反复荷载共同作用下的拟静力试验,分析了试件的应力分布状态、破坏形态、荷载传递规律以及转换梁的受力性能和试件的抗震性能。试验结果表明,斜柱式转换结构受力特点类似于一个简单桁架,转换层上层传力梁强度和刚度对转换梁性能有重要的影响,设计合理的框支短肢剪力墙-斜柱转换结构具有较好的延性,可以形成多道抗震防线,从而获得较好的抗震性能。     

竖向分布钢筋不连续的装配式剪力墙结构振动台试验研究

为研究竖向分布钢筋不连续的装配式剪力墙结构抗震性能,设计了1个缩尺比为1/2的四层模型结构,并对其开展振动台试验。试验中考虑了7度多遇至9度罕遇等地震烈度(0.035g~0.62g),并进行了峰值加速度0.80g的El Centro波破坏加载。研究结果表明：在7度罕遇地震作用下,模型结构处于弹性状态,最大层间位移角仅1/991;模型结构进入塑性阶段后(8度罕遇和9度罕遇地震作用),现浇边缘构件产生水平裂缝并跨越竖向拼缝向预制墙体发展,模型结构频率和阻尼比大幅变化,最大层间位移角为1/125;在峰值加速度0.80g的El Centro波作用下,模型结构发生典型的压弯破坏,一层现浇边缘构件混凝土局部压坏,钢筋压曲,但未发生整体破坏或倒塌;模型结构的1阶频率和阻尼比分别降低58.3%和增大163.2%,层间位移角达1/87;该剪力墙结构整体变形呈弯曲型,其现浇边缘构件和预制墙体具有良好的协同工作能力,抗震性能良好。     

搭接柱转换大底盘多塔楼结构抗震性能分析

针对大底盘多塔楼复杂高层结构采用搭接柱进行竖向构件转换的特点,以一个14层的双塔楼采用搭接柱转换的实际工程为主要研究对象,采用缩尺比为1/15的模型,对其进行模拟地震整体结构振动台试验,依次对整体模型进行7度多遇,7度基本,7度罕遇以及8度罕遇地震输入,研究整体结构的破坏模式与抗震性能,并且采用MIDAS软件进行整体结构有限元对比分析研究。研究结果表明：本工程中的搭接柱以及与搭接柱相邻的楼板在7度罕遇地震作用下保持弹性工作状态,能满足整体结构大震不倒的要求;采取搭接柱转换的结构竖向刚度均匀,没有形成软弱层;大底盘与塔楼交界处的剪力突变,应采取适当措施予以加强;裙房底部柱出现破坏,对此应采取适当加强措施。图13表4参13     

多连梁剪力墙抗震性能研究

针对剪力墙结构设计中容易出现连梁剪压比不足的问题,提出多连梁的设计理念,通过设置多个连梁代替传统单连梁的方式,可以有效增大连梁的抗剪面积与跨高比,明显改善结构的抗震性能。确定多连梁截面尺寸的基本原则是结构的侧向刚度与单连梁保持不变。对剪力墙结构在多遇地震作用下进行了详细分析,全面比较了多连梁与单连梁对结构动力特性、层间位移角、侧向刚度和构件内力的影响以及对改善连梁剪压比的作用。对剪力墙结构进行了在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,研究了多连梁剪力墙结构对最大层间位移角、塑性铰分布、抗剪承载力及结构非线性耗能能力的改善效果;采用非线性有限元法对连梁在往复地震作用下的抗震性能进行了研究。结果表明:由于多连梁跨高比大,其破坏形态从剪切破坏转化为弯曲破坏,构件的延性显著增大。     

北京大兴国际机场航站楼大跨度钢结构整体缩尺模型振动台试验研究

北京大兴国际机场航站楼大跨度曲面钢网格结构超长超大,支承C形柱结构形式新颖受力情况复杂。为此,设计并制作了1/60缩尺模型,通过振动台试验研究其在8度多遇、设防、罕遇地震作用下的动力特性,并分析其在单向、双向、三向地震动情况下的加速度、位移和应变等地震响应。试验结果表明：模型整体结构在三向地震动作用下反应最大,且结构受竖向地震作用影响较大,中心区竖向反应强烈,其余各区域水平地震反应均匀,模型整体性较好,支承结构应变反应受水平地震作用影响较大,具有良好的抗侧刚度;模型在8度多遇地震作用下对应层间位移角为1/639,8度罕遇地震作用下,层间位移角为1/54,满足抗震规范要求,模型在9度罕遇地震作用下没有发生倒塌和明显的破坏,验证了结构原型具有合理的安全储备,满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设计原则,结构设计合理。C形柱结构设计合理,具有良好的支承作用及抗侧刚度。     

北京大兴国际机场航站楼大跨度钢结构C5区地震响应分析

北京大兴国际机场航站楼大跨度钢结构C5区为双层网壳结构,结构形式复杂,杆件众多,其抗震性能是设计与分析中的关键问题。对C5区建立有限元模型,首先进行了自振模态分析,初步了解了其动力特性。然后,根据规范合理选择地震波,进行动力时程分析,研究了模型在8度多遇及罕遇地震作用下的动力响应和杆件内力情况。分析结果表明:C5区的自振频率分布十分密集,振型以竖向振动为主且对称出现;在8度多遇地震作用下,整体杆件地震内力系数均处于较低水平,上弦及下弦杆件的地震内力系数稍大,受地震作用影响较大;在8度罕遇地震作用下,上、下弦极少数杆件的应力进入塑性范围,其余杆件的应力均处于弹性范围内,整体塑性发展程度较弱;在8度多遇及罕遇地震作用下,结构的层间位移角、剪重比等指标均满足规范要求。总体来说,结构在8度多遇及罕遇地震作用下能实现"小震不坏、大震不倒"的抗震设防水准要求,抗震性能良好。     

上海世博会中国馆结构弹塑性时程分析

上海世博会中国馆东方之冠建筑造型和结构体系独特,结构为复杂大跨大悬挑钢-混凝土混合结构,主体结构为四个混凝土筒体,上部楼屋面采用混凝土梁板体系、型钢梁-混凝土板梁板体系和钢桁架梁-混凝土板梁板体系。由于上部结构悬挑较大,结构1阶振型为扭转振型,不满足现行建筑抗震设计规范的要求。采用NosaCAD2005有限元程序建立整体结构分析模型,压弯构件采用纤维截面模型,墙体采用非线性平板壳单元,以反映构件非线性复杂受力情况。通过7度多遇和7度罕遇烈度下的弹塑性时程分析,研究了该结构的变形、内力、破坏情况的发展历程。计算结果表明,小震情况下,结构构件未出现损坏;大震情况下,结构最大层间位移角满足1/100的限值要求,筒体构件损坏顺序和分布较为合理,能在一定程度上耗散地震输入能量。出现塑性铰的杆件未超过极限承载能力,结构可以满足"小震不坏"、"大震不倒"的抗震设防要求。最后根据构件的受力或损坏情况,给出了设计改进建议。     

Y形偏心支撑-高强钢框架结构抗震性能试验研究

为研究Y形偏心支撑-高强钢框架结构抗震性能,在已完成的1∶2缩尺3层模型结构振动台试验的基础上,重新设计了耗能梁段,并对该结构再次进行振动台试验。试验中选取El Centro波、Taft波和兰州波作为地震动输入并考虑7度多遇到9度罕遇的地震水准,分析了结构在水平地震作用下的动力特性、加速度响应、位移响应、应变响应、剪力分布等,并与已有试验结果进行了对比。通过ABAQUS建立了有限元分析模型,与试验结果进行对比。结果表明：该结构在多遇地震作用下处于弹性状态,在罕遇地震作用下表现为耗能梁段的局部破坏;耗能梁段破坏后,结构刚度大幅下降,但未发生倒塌;在多遇地震和罕遇地震作用下,结构的最大层间位移角满足抗震规范层间位移角限值的相关要求;在罕遇地震作用下,耗能梁段进入塑性状态而进行耗能,其他构件仍保持弹性状态;所建立的有限元模型可以有效模拟振动台试验结果。     

V型偏心支撑钢框架结构抗震性能分析

采用pushover方法对V型偏心支撑钢框架在三种罕遇地震烈度下的抗震性能进行分析,得出该结构在不同罕遇地震作用下的抗震模式及结构性能点,并对其抗震性能进行评定;该结构在地震作用下塑性铰依次出现于耗能梁段和框架梁上,耗散大量的地震能量,同时避免框架柱遭受破坏,满足强柱弱梁和规范要求.     

高强超薄壁冷弯型钢低层住宅足尺模型振动台试验

进行了两层高强超薄壁冷弯型钢住宅结构足尺模型的振动台试验,模型采用屈服强度550 MPa、厚度2 mm以下超薄壁冷弯型钢龙骨,外墙内外侧覆面板分别采用12 mm厚石膏板和0.42 mm厚屈服强度550 MPa带肋波纹钢板,内墙两侧覆面板均为12 mm厚石膏板。试验选取3条实测地震波记录和1条人工合成地震波,地震加速度考虑7度多遇到9度罕遇的烈度水平。试验结果表明：结构破坏均发生在连接部位和覆面板的局部区域,破坏模式为自攻螺钉的脱落和石膏板的局部破裂,而内部主体型钢龙骨基本无破坏;结构水平刚度虽有较大削弱,但在地震作用下结构无倒塌危险;采用双面覆板构造的复合墙体结构,能够满足抗震设防地区“大震不倒”的要求;墙体开洞部位为结构的薄弱区域,结构设计时应加强门、窗等开洞部位的构造措施以及自攻螺钉连接的可靠性。     

半刚性框架-屈曲约束钢板剪力墙结构振动台试验研究

为研究半刚性框架-钢板剪力墙结构的抗震性能,进行了1个缩尺比为1/3的单跨4层钢框架-屈曲约束钢板剪力墙的振动台试验。试验采用模拟地震动的方法,选取El Centro波、Taft波和一条人工合成波,分析在7度多遇至9度罕遇共计8个水平地震作用工况下结构的动力特性和动力响应。研究结果表明：在多遇地震作用下,结构无明显塑性变形;罕遇地震作用时,1、3层墙板大部分区格形成拉力带。随着地震激励的增大,结构刚度逐渐退化,9度罕遇地震输入后结构抗侧刚度最大降幅仅为12%;屈曲约束钢板墙作为第一道抗震设防防线,率先进入弹塑性工作阶段,吸收耗散地震能量,避免框架发生破坏;在多遇及罕遇地震作用下结构的层间位移角分别为1/476和1/68,均满足我国现行抗震规范对层间位移角限值的规定。结构整体表现出优异的抗震性能,满足我国“两阶段,三水准”抗震设防要求。