不规则钢筋混凝土异形柱框架结构的抗震性能.pdf
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1、第2 9 卷第4期 2 0 0 7年 8月 重 庆 建 筑 大 学 学报 J o u r n a l o f C h o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y Vo l . 2 9 No . 4 A u g . 2 0 0 7 不规则钢筋混凝土异形柱框架结构的抗震性能 唐剑 , 段朝程, , 杨溥“ ( 1 . 江西科技师范学院土木工程系, 江西南昌3 3 0 0 1 3 ; 2 . 重庆大学土木工程学院, 重庆4 0 0 0 4 5 ) 摘要: 按现行规范及技术规程设计了设防烈度为8 度的一个不规则的钢筋混凝土异形柱框架结构, 并进 行 了
2、双向水平地震作用下的空间三维非线性地震反应分析, 考查 了异形柱框 架结构在罕遇地震水准下 的整体抗震性能, 对结构能否达到抗震设 防目标进行 了初步评价。结果表 明, 8度 区按规范设计的结构 在罕遇烈度地震作用下基本能够达到预期的抗襄设防 目标。 关键词: 异形柱, 钢筋混凝土框架结构; 非线性地震反应分析; 杭震性能 中图分类号: T U 3 7 5 . 3文献标志码: A文章编号: 1 0 0 6 -7 3 2 9 ( 2 0 0 7 ) 0 4 -0 0 9 0 -0 5 S e i s mi c P e r f o r ma n c e o f R e g u l a r R C
3、F r a m e w i t h S p e c i a l l y S h a p e d C o l u m n s T A N G J i a n l , D U A N Z h a o - c h e n g l , Y A N G P u t ( 1 . F a c u l t y o f C iv i l E n g i n e e r i n g , J i a n g x i S c ie n c e 2 . C o l l e g e o f C iv i l E n g i - n e e r i n g , C h o n g g i n g U n i v e r s
4、 i t y , C h o n g g i n g 4 0 0 0 4 5 , C h i n a ) A b s t r a c t ; A c c o r d i n g t o t h e c o d e a n d t e c h n i c a l r e g u l a t i o n , a n i r r e g u l a r R C f r a m e w i t h s p e c i a l l y s h a p e d c o l u m n s h a s b e e n d e s i g n e d , w h i c h s i t u a t e d a
5、 t t h e a r e a o f f o r t i f i c a t i o n i n t e n s i t y 8 . S u b s e q u e n t l y , t h e n o n l i n e a r d y n a m i c a - n a l y s i s h a s b e e n c a r r i e d o u t f o r t h e s t r u c t u r e b y i n p u t t i n g g r o u n d m o t i o n s i n t w o d i r e c t i o n s . A f t
6、 e r s u m m i n g u p t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s , t h i s p a p e r h a s e x a m i n e d s e i s m i c p e r f o r m a n c e o f t h e s t r u c t u r e u n d e r t h e r a r e s e i s m i c a c - t i o n s a n d g i v e n a p r i m a r y e v a l u a t i o n o n t h e s t r u c t u
7、 r e t o s e e i f i t c o u l d a c h i e v e t h e p r e d e t e r m i n e d a n t i - s e i s m i c a i m s . I t i n d i c a t e s t h a t t h e s t r u c t u r e d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e c o d e s c a n a c h i e v e t h e p r e d e t e r m i n e d a n t i - s e i s m i c a i
8、 m u n d e r t h e r a r e e a r t h q u a k e . K e y w o r d s : s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mn ; R C f r a me ; n o n l i n e a r s e i s mi c r e s p o n s e a n a l y s i s ; a n t i - s e i s m i c p e r f o r ma n c e 近年来, 应工程实践的迫切需要, 国内各有关单位 对钢筋混凝土异形柱框架结构进行了大量的试验研 究 1 - 3 和理论分析工作。
9、其中 试验研究工作主要集中 在异形柱构件和框架结构模型的振动台试验上, 由于 受到设备和经费的限制, 进行系列的较大尺寸的整体 结构动力或静力试验不现实。而理论分析上对异形柱 结构整体空间非线性分析方法的研究不够深人, 还没 有一种能够较好反映钢筋混凝土异形柱结构主要受力 特点并得到比较广泛认可的非线性分析手段和工具, 结构的弹塑性变形无法实际操作, 所设计的结构能否 满足“ 大震不倒” 的抗震设防要求还不清楚, 因此开展 对异形柱框架结构的空间地震非线性动力反应分析和 整体抗震性能的研究, 是十分必要的。 基于上述目的, 采用基于有限单元柔度法的纤维 模型梁柱单元, 本文对不规则异形柱框架结
10、构进行双 向水平地震作用下的三维非线性地震反应分析, 并考 察按照规范设计的不规则异形柱框架结构在罕遇地震 水准下的抗震性能, 对结构能否达到抗震设防目标进 行初步的评价。 1 分析模型 1 . 1 结构方案与概况 依 照 建 筑 抗 震 设 计 规 范 ( G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 4 1 与 混凝土异形柱结构技术规程 ( J G J 1 4 9 一2 0 0 6 ) 1 设 计了设防烈度为8 度、 II 类场地的一个 3 跨X2 跨, 局 部六层的异形柱框架结构, 框架抗震等级为二级。结 构的柱、 梁、 板均采用C 3 0 混凝土, 板厚 1 0 0 m m, 层
11、高 3 m; 结构基本周期为0 . 7 4 s 。构件配筋按S A T WE 结果进行设计, 除底层4 轴线处异形柱纵筋全为中 2 5 外, 其它异形柱纵筋全为中 1 8 , 所有柱中 箍筋沿柱高全 , 收稿日期: 2 0 0 7 -0 2 -0 2 作者简介: 唐 剑( 1 9 7 8 -) , 男, 江西南昌 人, 讲师, 硕士, 主要从事结构工程及防 灾减灾工程研究。 万方数据 第 4 期唐剑, 等: 不规则钢筋混凝土异形柱框架结构的杭震性能 长加密布置争 1 0 1 0 0 。梁截面为2 0 0 X 5 0 0 m m, 梁中 箍筋为帕1 0 0 / 2 0 0 。柱、 梁结构布置及配
12、筋如图1 , F7 - 一- ! I 1 1 / 犯, 6TI 石 厂x z 万 l 。 、 I 口 目 ! l l I . I I u z i Y sa z xr 山 z 1 7 1 岩 恤/ KZ3, 孔 。K Z2 一 一 I 一 l 一 卜 一 一一 T , 一七 一 击I 队 。牛 , , , ,A P r g . 量 眨二二 分 盆二乙蔽二翻匕二 _ J 一了 曰K石舀行翻 。 口 】 . . “ ” 一 61 别 曰一 . .一 卜 - 一 -一- , 1 日口扣 图1 结构平、 立面布置图及柱配筋图 2 . 2 结构弹性水平位移及轴压比的验算按照双指标方案、 3 + 1 的地震
13、波样本容量进行 结构的弹性水平变形在S A P中用振型分解反应 谱法计算( 考虑双向地震作用输入下的扭转反应) 。结 构在多遇地震作用下的最大水平弹性层间位移角为 1 / 6 7 6 ( X向) 和 1 / 9 1 5 ( Y向) , 满足设计规范的要求 ( 1 / 5 5 0 ) 。另外, 在X方向上各楼层最大弹性水平层 间位移与该层两端弹性水平层间位移平均值的比值如 表1 。结果表明, 该结构已经属于扭转不规则的范畴 了。 衷 1 结构各楼层最大弹性水平层间位移与该楼层两端弹性水 平位移平均值的比值 选波C a , 选取的地震动见表 2 ( 其中A C C 1 0 为人造地 震动) 。采用
14、S A P 2 0 0 。 进行了振型分解反应谱分析和 弹性动力时程分析, 计算结果如表 2 , 表明选出的地震 波能满足现行抗规范对结构底部剪力的要求。 表2 结构弹性时程分析与振型分解反应谱分析所得底部剪力 对 比 箱入的地震动记录U S A 0 0 6 4 1 U S A 0 2 5 8 1 I N D 0 0 3 6 4 A C C 1 0 层数第1 层第2 层第3 层第4 层第5 层第 6 层 比值1 . 1 9 1 . 2 0 1 . 2 1 1 . 2 2 1 . 1 8 1 . 1 7 L形、 T形、 十形柱轴压比分别为0 . 3 3 , 0 . 5 0 , 0 . 5 9 ,
15、 均未超过规程对异形柱轴压比的限 值0 . 5 0 , 0 . 5 5 , 0 . 6 0 , 2 . 3 非线性动力分析模型与方法 采用基于有限单元柔度法的纤维模型的梁柱单元 编制的非线性动力分析程序( 由重庆大学土木工程学 院提供) 。纤维模型梁柱单元即将梁柱单元截面离散 化为若干纵向纤维, 忽略剪切影响, 认为每根纤维处于 单向应力状态( 可以在材料的单轴应力一应变关系中 考虑箍筋横向约束影响) , 采用平截面假定, 依据有限 单元柔度法理论来建立梁柱单元刚度矩阵, 再根据相 应纤维材料的单轴应力一应变关系计算整个截面的力 与变形的非线性关系。程序中钢筋采用了考虑等向应 变硬化影响的本构
16、模型; 混凝土采用了修正的K e n t - P a r k 模型。该分析程序的分析效率和分析精度已在 普通矩形柱构件和结构层次 6 1 、 异形柱构件层次 7 1 上 得到了验证。 2 . 4 她 ,动的选取与输入 振型分解反应谱法所 得的结构底部剪力/ k N 弹性时程分析所得的 结构底部剪力/ k N 比值 平均比值 4 4 6 3 5 1 5 2 9 4 2 3 4 3 6 0 . 7 9 1 . 1 9 0 . 9 5 0 . 9 8 0 . 9 8 由于结构平面布置不规则, 分别沿X方向输入所 选地震波, Y方向输人所选地震波在另一个方向上的 水平分量, 同时X, Y方向的幅值之比
17、为1 0 . 8 5 , 3 罕遇地震作用下结构反应结果分析 本文在进行结构的非线性反应分析时, 由结构整 体的表现( 如层间位移角、 层扭转角) , 进而到单个构件 的状态( 如截面的弯矩一曲率关系、 纤维的应力应变) 两个方面来考查结构的反应。由于X方向输人地震 波的幅值较大, 且扭转效应较大, 因此考查的均是沿结 构 X向的反应。 3 . 1 层间位移角、 层间扭转角、 楼层侧移 在4 条地震波输人( 峰值加速度为4 m / s ) 下, 结 构各层的最大层间位移角、 最大层间扭转角及结构顶 点侧移见表3 ; 结构各层左右两端最大层间位移与最 大层间位移平均值的比值见表4 ; 结构各层左
18、右两端 的层间位移角、 层间扭转角见图2 和图3 , 万方数据 9 2 第2 9 卷 重 庆 建 筑 大 学 学报 表 3 箱人的地震动记录 罕遇地及输入下结构的最大层间位移角、 最大层间扭转角与顶点最大侧移 结构左端最大层间位移角 结构右端最大层间位移角 结构最大层间扭转角/ r a d 结构顶点最大侧移/ m m US A0 0 6 4 1 1 / 1 5 6 ( 二) 1 / 1 0 8 ( 二) US A0 0 7 0 7 1 / 1 2 3 ( 二) 1 / 9 1 ( 二) I ND0 0 3 6 4 1 / 1 6 3 ( 二) 1 / 1 1 8 ( 二) ACCS 1 / 1
19、 6 3 ( 二) 1 / 9 0 ( 二) 0 . 0 0 1 0 4 ( 二) 1 0 1 . 3 1 / 1 7 8 0 . 0 0 1 3 1 ( 二 )0 . 0 0 1 3 3 ( 二 ) 0 . 0 0 1 5 9 ( 二) 平均值 1 / 1 4 9 1 / 1 0 0 0 . 0 0 1 3 2 1 2 4 . 0 1 / 1 4 5 1 0 0 . 6 1 / 1 7 9 1 0 6 . 7 1 / 1 6 9 1 0 8 . 2 1 / 1 6 6 最大值 1 / 1 2 3 1 / 9 0 0 . 0 0 1 5 9 1 2 4 . 0 1 / 1 4 5 最大侧移/
20、结构总高度 注: “ () ” 中的数字表示最大层间位移角发生的横层。 表4 罕遇地展输入下结构各层最大层间位移与该层两端层间 位移平均值之比 层数 US A0 0 6 4 1 US A0 2 5 8 1 I ND0 0 3 6 4 AC C1 0 1 . 1 5 1 . 1 8 1 . 1 9 1 . 2 3 1 . 0 9 1 . 0 9 1 . 3 2 1 . 2 9 1 . 2 8 1 . 3 0 1 . 2 0 1 . 1 5 明显了。 3 ) 结构各层最大层间位移与该层两端层间位移平 均值之比 一般以第四层最大, 在4 条波的输人下最大 值为1 . 3 0 , , F)Z- V 从
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