框架结构动力弹塑性分析

1、第36卷第15期36No.15山西建筑Vol.2010年5月May.2010SHANXIARCHITECTURE文章编号:100926825(2010)152005720357框架结构动力弹塑性分析杜红旭张华摘要:结合一5层框架结构,介绍了动力弹塑性分析的基本原理和实施的关键步骤,运用Midas软件进行了分析,对一般框架结构罕遇地震作用下的抗震性能作出合理的评价,以指导工程实践。关键词:框架结构,弹塑性,塑性铰中图分类号:TU313文献标识码:A近年来,随着大量复杂高层建筑的涌现,以及越来越多的震害事故证明了对建(构)筑物进行弹塑性分析设计的必要性,很多国家已经制订了相应的设计规范或标准1。基

2、于“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准设防和二阶段设计方法,GB5001122001建筑抗震设计规范和JGJ322002高层建筑混凝土结构技术规程对某些类型的建筑规定了弹塑性变形验算的强制性或非强制性要求。完全采用弹性理论进行结构分析设计已经难以满足纤维进行受弯加固时设置U形箍的建议:5效果不理想,随着U根据试验结果,U10;,破坏多发生在加载点附近(),因此在剪力和弯矩较大区域设置U形箍是十分必要的。以上研究都是针对有机胶粘贴碳纤维布的附加锚固措施的研究,这些研究为进一步完善U形箍锚固措施提供了重要的试验和理论依据。要求,弹塑性分析是解决结构在罕遇地震作用下延性分析的重要方法之一,对结构

3、进行弹塑性分析得到越来越多的应用2。1弹塑性分析方法3,是基于美国的FEMA2273ATC240和“承载力谱法”。2:1叶列平,方团卿,杨勇新.碳纤维布在混凝土梁受弯构件加固中抗剥离性能的试验研究J.建筑结构,2003,33(2):61265.2杨勇新,岳清瑞.碳纤维与混凝土粘结性能的试验研究J.建筑结构学报,2001,22(3):36241.3欧阳煜,钱在兹.粘贴片材加固混凝土梁的端部剥离应力分析J.建筑结构,2000,30(8):51253.4ZhiShenWu,JunYin.FracturingBehavioursofFRP2Strength2enedConcreteStructures

4、J.EngineeringFractureMechanics,2003(9):133921355.5J.G.Teng,S.T.Smith.Intermediatecrack2induceddebondinginRCBeamsandSlabsJ.ConstructionandBuildingMateri2als,2003(17):4472462.6阵瑜,关建光,徐福泉.碳纤维布加固混凝土构件的粘贴构造与锚固技术J.建筑科学,2000,16(6):34237.7CECS1462003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程S.8叶列平,方团卿,杨勇新,等.CFRP布在混凝土梁受弯加固中抗剥离性能的试验研

5、究A.高性能纤维增强复合材料在土木工程中应用的基础研究论文集C.2007:3372349.9于天来.碳纤维加固钢筋混凝土梁性能研究D.哈尔滨:东北林业大学博士学位论文,2005.4防止界面剥离破坏的构造措施7碳纤维片材加固混凝土结构技术规程中第4.3.8条和第4.3.9条规定了防止碳纤维剥离的构造措施。但这些锚固措施除粘结锚固长度有明确计算外,其余仅是一些构造性规定和建议。5无机胶粘贴碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁附加锚固措施的建议1)对梁、板正弯矩区进行受弯加固时,碳纤维片材宜延伸至支座边缘。在集中荷载作用点两侧宜设置构造的碳纤维片材U形箍或横向压条。针对本次试验中的试验梁,由于试验梁多在靠近

6、加载点处最先发生破坏,建议在靠近加载点处纯弯段内设置两附加U形箍;2)在剪力和弯矩较大处及有突变处设置U形箍;3)U形箍应在粘结延伸长度范围均匀设置,U形箍净间距不大于梁高的1/4,高度不小于梁高的1/2,每道U形箍量不小于梁底CFRP加固量的1/2;4)U形箍宽度最好在10cm以上。Theexperimentalresearchofthestrengtheningandbending2resistmeasuresforadditionalanchorbypastingCFSwithinorganicglueYANGLi2luanAbstract:Itstudiestwopiecesofrei

7、nforcedconcretebeamswhicharestrengthenedbypastingCFSwithinorganicglue.Basedontheresultoftheexperiment,andcombiningwithpreviousresearches,itproposesthestrengtheningandbending2resistmeasuresforadditionalanchorbypastingCFSwithinorganicglue,inthehopeofimprovethestrengtheningeffectofCFS.Keywords:CFS,rein

8、forcedconcretebeams,inorganicglue,strengthening,measureofadditionalanchor收稿日期:2010201225作者简介:杜红旭(19702),男,工程师,河南省神火煤电股份有限公司,河南永城476600张华(19732),男,工程师,河南神火建筑安装工程有限公司,河南永城47660058第36卷第15期山2010年5月西建筑(1)M¨x(t)+C x(t)+Kx(t)=f(t)其中,M为质量矩阵;C为比例阻尼矩阵;K为刚度矩阵;¨x(t), x(t),x(t)分别为t时间步内加速度向量、速度向量和位移向量。结

9、构弹塑性动力时程分析是将建筑物作为弹塑性振动系统,直接输入地面地震加速度记录4,对运动方程直接积分,从而获得计算系统各质点的位移、速度、加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线。通过计算还可以分析出结构的薄弱层和构件塑性铰位置。所以这种分析方法能更准确而完整地反映结构在强烈地震作用下的变形特性,是改善结构抗震能力、提高抗震设计水平的一项重要措施。弹塑性动力分析步骤如下:1)建立整体结构模型;2)定义材料的本构关系,通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构动力响应的各参数;3)施加恒、活荷载等竖向荷载值以及风等横向荷载;4)输入适合本场地的地震波;5)定义模型的边界条件;6)计算,并对结

10、果进行评定。能够满足计算要求。4实例分析某5层钢筋混凝土框架结构,层高3.3m,跨度6m,每层6个开间,每个开间3.9m,框架柱为500mm×500mm,框架梁分别为250mm×600mm,250mm×400mm,连梁采用250mm×400mm,250mm×300mm两种交替布置,如图1所示。楼面恒荷载3.5kN/m,活荷载2.5kN/m2,屋面恒载1.5kN/m2,活荷载1.5kN/m2。本工程分别选用EL2centro波、Maxcit波、Taft波施加在结构上,按照特征周期Tg=0.35s,8度(0.2g)罕遇地震(大震)作用下峰值加速度的

11、取值采用400gal,震动持续时间20s。运用有限元软件Midas进行计算分析,Midas的加载模式有三种方式:静力加载、加速度常量、模态方式7。本例中采用了模态加载方式,选择第一模态方式加载。本文对结构进行弹塑性时程分析,梁、,混凝土材料受压对于梁单元,一般仅考虑弯,2Mz;对柱单元,考虑由轴,PMM型。塑性铰。2能力谱及需求谱曲线的确定能力谱曲线是通过静力推覆分析方法得到的,结构,需要按一定的变形模式(通常为基本振型)等效化为单自由度体系,态质量m转化为谱加速1<n1后转换为谱位移D,5a=,D=1<n1m1(2)其中,m1为第一振型的等效模态质量,m1=nnm<21jj

12、j=1n;jjm<211为结构第一振型的等效参与系数,1=nm<1jj,mj为j顶点jj=1m<12j的集中质量,<j1为第一振型j位置质点的振幅;<n1为第一振型在顶点的振型函数。需求谱曲线分为弹性和弹塑性两种需求谱,对弹性需求谱,可以将典型(阻尼比为5%)加速度反应谱与位移谱画在同一坐标系上,即将传统反应谱SaT曲线转化为用Sa作纵坐标和Sd作横坐标的新谱线6,利用弹性单自由度体系在地震作用下运动方程的转换关系由式(2)得到新的需求谱线。Sd=224经计算分析后,得到性能点,根据性能点时的变形,对以下三个方面进行评价:1)顶点侧移是否满足抗震规范规定的弹塑性顶

13、点位移限值。2)层间位移角是否满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值。3)构件的局部变形即指梁、柱等构件塑性铰的变形,检验它是否超过建筑某一性能水准下的允许变形。通过计算,在罕遇地震作用下输入EL2centro波时结构塑性铰,计算得平均层间位移角为1/168,小于规范规定1/100限值,说明结构在8度(0.2g)罕遇地震作用下,结构整体能够保持直立,即保证“大震不倒”,如果局部某个构件不满足塑性限值要求,则需要局部加强,而不会改变整体结构的性能。5结语本文介绍了框架结构弹塑性分析的基本原理和方法,并结合一钢筋混凝土框架结构进行了抗震性能分析。结果表明:1)pushover分析方法可以按照规范对

14、结构的抗震性能作出合理的评价,为实现基于性能的抗震设计提供了很好的计算方法。2)静力弹塑性能够较好的反映结构侧向承载力的性能。3)从弹塑性铰分布情况,可以判断结构薄弱层所在。4)采用能力谱方法求出罕遇地震下结构的目标位移,为结构的延性设计提供可靠依据。5)该种结构形式的厂房在8度(0.2g)地区,采取适当的加强措施,能够满足我国抗震设计三阶段设计标准的要求。参考文献:1刘学江,刘加进.大型水电站厂房上部结构弹塑性动力分析J.水力发电,2009(8):45248.2尧国皇,黄用军,宋宝东.钢框架钢筋混凝土核心筒结构的动力弹塑性分析J.深圳土木与建筑,2007(4):56259.3郭明,刘学军.某

15、特大型站房的静力弹塑性分析J.铁道勘察,2008(4):1002102.Sa(3)其中,Sd为位移谱值;Sa为加速度谱值;T为自振周期。3地震波的选取地震波的选择对计算结果的影响较大,不同的地震波分析的结果可能有较大的差别。应使输入的地震波在频谱特征性、有效峰值和持续时间上与工程的实际条件相符。频谱特征性由场地类别和地震分组确定;有效峰值可按规范取值,要使每条记录在统计意义上符合场地特征谱线;持续时间一般为结构基本周期的5倍10倍。一般选择不少于符合场地类别和地震分组的两组实际强震记录和一组人工模拟加速度时程曲线,先进行弹性时程分析,若每条地震波计算得到的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果

16、的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算的80%,可以认为选择的地震波第36卷第15期36No.15山西建筑Vol.2010年5月May.2010SHANXIARCHITECTURE文章编号:100926825(2010)152005920259上海滩花园超限高层建筑初步设计许文耿柳摘要:针对上海滩花园中4栋超高层住宅的结构超限特点,采取了基于性能的抗震设计和比现行规范要求更为严格的抗震措施。采用SATWE,PMSAP程序对结构进行多遇地震作用下的计算,结果表明,本工程抗震性能较好,结构体系安全可行。关键词:超高层住宅,抗震性能,水平位移,技术措施中图分类号

17、:TU972文献标识码:A1概述本工程地面以上为8幢高层住宅及2幢多层会所。其中8幢高层结构形式为:A型26层框支剪力墙结构,B,C,D,K型34层剪力墙结构,E型18层框支剪力墙结构,F型22层框支剪力墙结构,G型20层框支剪力墙结构;2幢会所为多层框架结构。本工程设地下室1层(局部2层),将上述各单体连成一体。其中B,C,D型塔楼下地下2层为6防地下室(人员掩蔽所)。系数a0.120.2平均为0.13MPa-1,比贯入阻力Ps最小平均值为15.67MPa,属中等低等压缩性。该层作为塔楼桩基持力层。1青灰色粉细砂,但埋藏较深。2)地下水年0.50m,。434层塔楼下筏板厚度为122层塔楼下筏

18、板厚度为1200mm,26层塔楼下1500mm,其余部位地下室基础底板厚度为800mm。本工程拟采用钻孔灌注桩,高层塔楼下采用<800桩,桩长约45m,桩尖进入22层。单桩竖向承载力设计值约为3400kN。其余地下室部分采用<550抗拔桩,桩长约25m。单桩竖向上拔力设计值约为450kN。2抗震设防标准,设本地震加速度值为0.10g,建筑场地类别为类,场地特征周期Tg=0.90s,建筑抗震设防分类为丙类。本工程地下室按人防6级设防。5建筑结构布置和类型及超限情况1)结构体系见表1。表1结构体系类型BCDK高度/m99.099.0100100高宽比6.9高度级别A级

19、A级A级A结构体系剪力墙剪力墙剪力墙3拟建场地工程地质概况1)本工程基底土层自上而下依次为:3砂质粉土夹淤泥质粉质黏土,该层为液化层。淤泥质黏土。121灰色粉质黏土,压缩系数a0.120.2平均为0.48MPa-1,比贯入阻力Ps最小平均值为0.80MPa,属中等压缩性。122灰色粉质黏土,压缩系数a0.120.2平均为0.34MPa-1,比贯入阻力Ps最小平均值为1.58MPa,属中等压缩性。4灰绿色粉质黏土,压缩系数a0.120.2平均为0.31MPa-1,属中等压缩性,厚度分布均匀。暗绿草黄色粉质黏土,压缩系数a0.120.2平均为0.24MPa-1,比贯入阻力Ps最小平均值为2.88M

20、Pa,属中等压缩性。1灰黄灰色砂质粉土,压缩系数a0.120.2平均为0.16MPa-1,比贯入阻力Ps最小平均值为8.11MPa,属中等压缩性。2灰黄灰色粉细砂,压缩4彪仿俊,阎晓铭,陈志强,等.动力弹塑性时程分析的方法及其应用J.深圳土木与建筑,2006(1):26229.5李彦峰,徐巍.基于pushover分析的建筑结构抗震性能评价方法研究J.吉林勘察设计,2007(2):54255.2)各单体结构超限情况。B,C,D,K楼均为34层剪力墙结构,各楼平面宽度较窄,高宽比大于6,超出规范规定的该结构类型适用的最大高宽比要求。其中B楼南部轴轴房间凸出4.9m,超出建筑最大宽度(17.1m)的30%,C楼楼梯间凹入7.4m,超出建筑最大宽度(18.8m)的30%,D,