基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑钢框架结构的研究,结构工程论文

基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑钢框架结构的研究,结构工程论文梁贯穿式支撑钢框架体系是最近由同济大学进行改良开发的一种新型工业化钢构造体系。该构造体系的技术特点有：梁柱节点处保持梁通长、柱分层，易于应用分层装配式工法进行安装；为便于预制墙板安装，该体系采用高延性柔性支撑作为其主要的抗侧力构件；通过半刚性端板螺栓连接形式实现梁与柱、梁与梁、梁与屋架以及柱与基础等的连接，同时作为除支撑外的备用抗震设防措施。整体模型试验表示清楚，该构造延性优，但柔性支撑的配置可能导致构造具有明显的滑移型滞回特性，耗能能力一般。对梁贯穿式支撑钢框架构造进行合理的抗震设计，成为该类构造体系在我们国家推广应用的关键。基于强度的抗震设计方式方法主要考虑强震作用下构造的塑性耗能，通过强度折减系数折减构造在设防地震作用下的弹性地震作用，得出设计地震作用。因而强度折减系数是基于强度的抗震设计中确定设计地震作用的关键参数。我们国家现行抗震规范隐含对不同材料的构造体系采用单一的强度折减系数，没有区分具有不同延性的构造类型在设计地震作用取值上的差异不同，不能充分具体表现出钢构造延性在抗震设计安全性与经济性方面的优势，因而有必要对不同抗震钢构造体系的强度折减系数进行研究。针对这一问题，国内外学者近年来已开展了相关研究工作。但针对梁贯穿式支撑钢框架这一新型构造体系，强度折减系数的研究当前未见报道。本文将增量动力分析〔incrementaldynamicanalysis,IDA〕和能力谱法〔capacityspectrummethod,CSM〕相结合，对典型梁贯穿式支撑钢框架构造的强度折减系数进行研究，旨在为抗震设计时强度折减系数的合理取值提供根据。强度折减系数的概念与计算方式方法。强度折减系数的概念强度折减系数指设防地震作用下构造保持完全弹性所产生的基底剪力与一样地震作用下考虑延性设计的构造设计基底剪力之比。利用构造的弹塑性变形能力，能够使构造的实际设计承载力比按构造完全弹性反响要求的承载力偏低。在静力荷载作用下，单自由度体系钢框架的荷载-位移曲线如此图1所示，包含弹性设计、实际弹塑性设计和理想弹塑性设计三种情况。图中Ve、Vy和Vd分别为按弹性设计时的基底剪力、按弹塑性设计构造委屈服从时的基底剪力和按规范设计所需的基底设计剪力；e、y和d图1构造反响曲线分别为与Ve、Vy和Vd对应的位移。强度折减系数定义为：R=Ve/Vd〔1〕。基于IDA的强度折减系数计算方式方法增量动力分析〔IDA〕方式方法是将一条特定的地震动转化为一系列地震动强度逐步增大的地震动，输入构造进行弹塑性动力时程分析，得到一系列构造的弹塑性地震响应指标，也被称为动力推覆分析〔dynamicpushover〕方式方法。IDA能够避免对不同侧力形式推覆分析结果的合理性进行评估，而将构造在地震作用下的滞回规则引入到抗震能力评价中，还能够考虑构造抗震需求和能力的不确定性和随机性因素。美国FEMA350,FEMA351中采用IDA对构造整体抗倒塌能力进行评估。本文采用IDA计算强度折减系数主要步骤如下：1〕建立构造分析模型，根据构造特性、场地类别等选择地震记录，将地震记录通过调幅扩展为一组地震动记录，进而对构造进行弹塑性动力时程分析得到基底剪力-顶点位移〔V-〕的关系。2〕根据多条地震记录鼓励下构造的V-关系，得到拟合曲线。建立构造的等效单自由度体系，参考Peter提出的非线性推覆分析方式方法中的转换方式，基于考虑前两阶振型对构造进行等效单自由度体系简化的方式方法，将以上基底剪力-顶点位移曲线转换为构造的能力谱曲线。3〕根据抗震设防烈度和场地类别，参考强度折减系数R-目的延性-周期T取值规则〔式〔2〕〕，建立构造对应不同延性系数的需求谱曲线。4〕比拟2〕得到的构造能力谱曲线和3〕得到的一簇需求谱曲线，确定相应等效单自由度构造的性能点。将等效单自由度体系的基底剪力和顶点位移等效复原为原型构造的基底剪力和顶点位移。5〕根据4〕中原型构造委屈服从时的位移和弹性刚度，计算弹性设计时构造需求的基底剪力Ve;根据现行抗震设计规范，计算构造设计基底剪力Vd.6〕计算构造在给定抗震设计条件下的强度折减系数R=Ve/Vd.梁贯穿式支撑钢框架的强度折减系数分析。构造分析模型针对梁贯穿式支撑钢框架在实际工程应用时支撑与柱常用的两种不同配置比例及布置方式，采用有限元分析软件ABAQUS建立了平面构造有限元分析模型进行分析，编号分别为模型CASE1和模型CASE2,如此图2所示。选取纤维模型杆单元〔B31〕模拟梁和柱，其钢材本构模型采用双线性随动强化模型和vonMises委屈服从准则，并假定塑性段切线模量为弹性模量的1/100.选取三维二节点桁架单元〔T3D2〕模拟柔性支撑，其受压时退出工作的特性，通过设置只拉不压的钢材本构模型间接实现。〔a〕模型CASE1〔b〕模型CASE2个模型的构件截面尺寸完全一样，但模型CASE1与模型CASE2的一层与二层支撑配置比例分别为3∶1和2∶1.在设计截面尺寸时，考虑抗震设防烈度为7度，地震分组为第二组，Ⅱ类场地。屋面恒荷载为1.5kN/m2,活荷载为0.5kN/m2;楼面恒荷载4.3kN/m2,楼面活荷载为2.0kN/m2;外墙恒荷载0.6kN/m2,基本风压0.45kN/m2.采用Q235B钢。一层和二层框架梁截面分别为H3001504.56和H2001504.56,框架柱截面为□804,支撑的扁钢截面为-504.对构造整体模型试验的数值模拟表示清楚，梁柱节点设置为半刚性连接时的模拟结果与实测的构造滞回响应最为接近，因而，方钢管柱与贯穿H形梁全螺栓端板连接节点在构造有限元分析模型中设为半刚接，采用弹簧连接单元〔SPRING〕并根据节点试验结果〔图3〕定义非线性本构关系实现。柱脚为刚性约束。增量动力时程分析结果考虑到地震频谱特性和持时对构造性能的影响，选取了10条天然地震记录〔表1〕对模型构造进行了IDA,得到顶层位移时程和基底剪力时程，并提取基底剪力和顶层最大位移，如此图4所示。由图4能够看出，顶层最大位移因地震作用的不同相差较大，而基底剪力的离散程度比顶层最大位移小。顶层最大位移超过100mm之后，基底剪力趋于稳定。从弹性阶段IDA来看，不同地震作用下抗侧刚度接近。对计算得到的基底剪力-顶点位移数据点进行多项式拟合，并采用基于能量平衡的双折线进行等效，见图5,模型CASE1和模型CASE2结果的离散度分别到达0.957和0.961.对图5的等效双线性能力曲线分析，得到构造的初期抗侧刚度K、等效委屈服从的基底剪力Vy和顶点位移分别为：模型CASE1K1=5.9506kN/mm,Vy1=87.471kN,1=14.699mm;模型CASE2K2=4.6299kN/mm,Vy2=64.982kN,2=14.035mm.能力谱法确定构造性能点采用能力谱法〔CSM〕确定构造性能点,即可得到构造能力谱和需求谱曲线的交点，如此图6所示。需要讲明的是，图6中的能力谱是经过单自由度体系等效后的A-D格式能力谱。为表示清楚，图6中仅给出了包含性能点位置的曲线部分，Sd大于50mm的曲线未列出。弹塑性需求谱列出了从=1.0~3.0〔为构造需求的目的延性系数〕之间一簇共8条需求谱，适用于抗震设防烈度7度，Ⅱ类场地，地震分组第二组，设防烈度水平地震影响系数为0.23,阻尼比=0.05,对应的场地特征周期Tg=0.40s.基于Vidic提出的R--T取值规则经屡次迭代计算后得到等效单自由度体系的性能点分别为：〔a〕模型CASE1〔b〕模型CASE2.通过等效可转化为原型多自由度体系的性能点为Sd=eqSd,即模型CASE1,Sd=1.55512.516=19.462mm;模型CASE2,Sd=1.41314.862=21.000mm.华而不实eq为构造等效振型的振型介入系数。强度折减系数建议为计算构造抗震设计的强度折减系数，需得到根据设防烈度弹性设计的基底剪力Ve和根据现行抗震规范多遇地震设计的基底剪力Vd.为此，强度折减系数按式〔3〕计算。模型CASE1和模型CASE2根据设防烈度〔7度〕弹性设计的基底剪力为：模型CASE1,Ve1=115.811kN,模型CASE2,Ve2=97.228kN.模型CASE1和模型CASE2按现行抗震设计规范多遇地震设计的基底剪力Vd能够通过底部剪力法计算为：Vd1=Vd2=38.36kN.从中能够看出，对于模型CASE1,构造超强系数在强度折减系数中所占的比例远大于延性折减系数所占的比例；而对于模型CASE2,两者比拟接近。表示清楚支撑与框架柱的配置比例及布置方式对梁贯穿式支撑钢框架构造强度折减系数、延性折减系数及其构造超强系数均产生影响。关于强度折减系数用于梁贯穿式支撑钢框架抗震设计的讨论GB50011-2018(建筑抗震设计规范〕没有给出强度折减系数的概念，但隐含了在7度〔0.1g〕抗震设防区的设防地震作用取值到多遇地震设计地震作用的强度折减系数近似为2.87.假如以现行规范为基准进行比拟能够看出，梁贯穿式支撑钢框架构造〔模型CASE1〕的强度折减系数比现行规范隐含的强度折减系数取值偏大，而梁贯穿式支撑钢框架构造〔模型CASE2〕的强度折减系数取值偏小，但总体相差不大。因而，针对现行规范对该类构造体系进行抗震设计时的强度折减系数取RM,则模型CASE1,RM1=3.02/2.86=1.06,模型CASE2,RM2=2.54/2.86=0.89.对模型CASE1进行抗震设计时，可按现行规范确定的设计地震作用水准或做微小折减；当对CASE2构造体系进行抗震设计时，按现行规范确定的设计地震作用水准略低，应予以适当放大，放大系数约为1.12〔=1/0.89〕。结论1〕支撑与框架柱的配置比例及布置方式会对梁贯穿式支撑钢框架构造强度折减系数、延性折减系数及其构造超强系数产生影响。2〕适用于7度设防烈度的两类典型构造布置〔CASE1和CASE2〕梁贯穿式支撑钢框架构造体系的强度折减系数可分别取为3.02和2.54.3〕建议了梁贯穿式支撑钢框架构造体系考虑强度折减系数并基于我们国家现行规范进行抗震设计的地震作用取值范围。以下为参考文献[1]王伟，陈以一，余亚超，等。分层装配式支撑钢构造工业化建筑体系[J].建筑构造，2020,42〔10〕:48-52.[