基于不同变形模式耗能框剪结构地震响应分析.pdf
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1、第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:基金项目:甘肃省建设科技攻关项目()作者简介:罗维刚(),男,副教授,硕士生导师,主要从事建筑结构减隔震方面工作。:基于不同变形模式耗能框剪结构地震响应分析罗维刚,祁盼,宋江朋,李兰舟(西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州 ;甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃 兰州 ;兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 )摘要:基于地震作用下双重结构体系中两个分体系侧向变形模式的不同,提出一种在两个分体系之间设置 的新型耗能结构,以框架剪力墙双重结构为例,建立不同剪力墙与框架抗侧移刚度比耗能双重结构强度模型,输入 条不同特征的
2、地震动记录进行非线性动力时程分析,结果表明:耗能双重结构与传统结构相比,出现了两个分体系模态振型不一致的交互振动,且基本周期增长;在 屈服强度设计为相应传统结构连梁内力的 时,耗能双重结构的峰值加速度、基底剪力、基底弯矩响应与传统结构相比均明显减小,尤其剪力墙响应更为突出,表现出了以框架为主引起的惯性力向剪力墙传递时被“切断”的耗能机制;耗能双重结构相比传统结构框架侧向位移响应有所增大,但合理设计 参数可以将层间位移角控制在规范限值内;耗能双重结构中剪力墙与框架抗侧移刚度比越大,峰值加速度响应和基底剪力响应减小越显著,框架侧向位移增大幅度也比较小,结构耗能效果越好。关键词:耗能结构;双重结构体
3、系;变形模式;强度模型;抗侧移刚度比中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;,):,;,;,;,:;在地震作用下,传统框架剪力墙双重结构破坏主要集中在墙体与墙体、框架与墙体之间的连梁或楼板上。因此,国内外学者用各种耗能构件进行替换,实现耗能和韧性功能。吕西林等 提出了用于可更换连梁的三种保险丝,并通过试验验证了保险丝功能的可行性;黄海新等 提出一种 型的金属耗能器,其具有大位移的变形特点;周云等 提出了功能自恢复连梁;崔瑶等 对平板支座进行拟静力加载试验,并针对提高该耗能能力给出了改进方案;霍林生等 提出了一种轻型屈曲约束支撑;周云等 提出一种新型管铅阻尼器,通过数值模拟验证了其耗能
4、的可行性;等 提出了几种可替换消能减震钢连梁,研究表明可替换耗能梁段在大震作用下率先进入塑性变形耗散能量,保护承重结构,震后通过更换损伤的耗能构件,使结构迅速恢复使用功能 。上述研究是在构件层面添加或替换耗能构件以提高消能减震能力的,但利用结构自身变形特性来降低抗震需求的研究却很少。本文基于双重结构体系 中两个分体系在地震作用下侧向变形模式的不同,提出一种在两分体系间设置屈曲约束支撑()的耗能结构,可以称为基于不同变形模式的耗能双重结构。以框架剪力墙双重结构为例,通过在框架与剪力墙之间施加 得到新型耗能框架剪力墙双重结构,简称耗能双重结构,即利用框架与剪力墙两个分体系在水平地震作用时的“剪切型
5、”和“弯曲型”变形模式不同,在每个楼层处两分体系间设置 构件,使其利用框架与剪力墙的相对运动进行耗能,同时“切断”重力荷载框架产生的惯性力向剪力墙传递,且可以通过改变 构件刚度和强度参数控制传递能力,减小结构抗震需求。本文建立了耗能双重结构强度模型,考虑了结构构件的塑性和混凝土开裂对混凝土构件刚度的影响,可以更加准确地模拟实际混凝土结构在地震作用下的动力响应。强度模型的建立是在剪力墙底部、框架柱端和框架梁端设置集中塑性铰模拟钢筋混凝土结构构件的非线性行为 ,通过动力非线性分析 的不同刚度和强度参数对耗能双重结构强度模型各项地震响应控制效果的同时,讨论剪力墙和框架结构抗侧移刚度相对变化对耗能双重
6、结构体系抗震性能的影响。数值分析模型 原型框架剪力墙结构的基本信息原型结构为一个六层传统框架剪力墙结构,其中一个单元平面布置如图 所示。结构底层计算高度为 ,标准层高为 。框架柱截面尺寸为 ;框架梁截面尺寸为 ;连梁截面尺寸为 ;楼板厚度 ;抗震设防烈度为 度,场地类别为类,抗震等级为三级,设计基本地震加速度为 ,设计基准期为 年,混凝土强度等级采用 。框架剪力墙结构的有限元分析模型对原型结构用 建立 模型,将电梯井周围剪力墙等效成一片总剪力墙,并均匀分配到三榀框架上,取其中一榀框架剪力墙结构建立有限元分析模型;考虑楼板对框架梁的影响以及刚性楼板假定,将框架梁截面刚度放大 倍来实现,楼板自重由
7、密度输入考虑,而活荷载取一半,按照附属面积计算,采用集中附加质量源的办法施加在框架结构的梁柱节点上,分析模型如图 所示。的屈服强度通过传统结构连梁内力计算确定,刚度取值考虑了框架与剪力墙侧向变形能力,由给定的屈服变形确定,具体如下:对传统框架剪力墙原型结构模型进行动力时程分析,求出剪力墙结构的基底剪力;将基底剪力沿结构高度按倒三角分配至各层,得到沿高度成比例的各层连梁内力,顶层连梁内力记为;在新型耗能结构中顶层 屈服强度取为,由于各层内力按倒三角成比例,此时 也代表了各层 的屈服强度大小;选取 的屈服变形为 ,并以此计算对应的初始刚度,初始刚度为屈服强度与屈服变形的比值,而屈服后刚度取为初始刚
8、度的 。本文将传统框架剪力墙结构计算得到的连梁内力等量对应的 屈服强度的分析模型定义为新型耗能结构的基准分析模型。水利与建筑工程学报第 卷图 剪力墙、梁、柱平面布置图图 有限元分析简化模型 有限元分析模型单元选取和参数确定 单元选取用 单元模拟连梁、框架梁柱和剪力墙;单元 模拟 ;框架梁的两端、框架柱和剪力墙底部分别设置集中塑性铰,采用 单元模拟;单元模拟施加的折算活荷载。塑性铰参数的确定框架梁、柱与剪力墙集中塑性铰本构关系参考了 报告结果 ,充分考虑混凝土开裂引起的刚度折减,其范围在 ,框架梁采用柱模型本构,但轴压比取为零。框架柱与剪力墙轴压比分别为 和 ,具体取值见表 和表 所示。表 中的
9、 为屈服弯矩,可由文献 计算得到。有限元分析建立三种不同剪力墙与框架结构抗侧移刚度比的耗能结构强度模型,在研究不同 参数对结构动力响应影响的同时,分析结构两个分体系抗侧移刚度差异对耗能结构动力响应的影响。其中,模型中剪力墙与框架的抗侧移刚度比为 ;模型中剪力墙与框架的抗侧移刚度比为 ;模型中剪力墙与框架的抗侧移刚度比为 。三种模型 屈服强度取基准分析模型 的 、和 ,共计 个参数工况进行。表 钢筋混凝土框架梁柱骨架曲线控制点 骨架曲线参数取值范围初始刚度 ()屈服强度 峰值强度 塑性铰范围 ,()()()峰值后转动 ,()()()表 塑性铰本构模型参数塑性铰本构模型墙底部框架梁端框架柱端屈服强
10、度 弯矩峰值强度 极值强度 屈服转角 转角峰值转角 极值转角 地震波选取本文选取地震波考虑了地震类型、卓越频率、震中距、脉冲效应等不同因素,从 强震记录数据库中选取了 波、波、波、波、波、波等六条波,将其峰值加速度调幅至设计基本地震加速度 。加速度反应谱及位移反应谱如图 和图 所示。图 加速度反应谱第 期 罗维刚,等:基于不同变形模式耗能框剪结构地震响应分析图 位移反应谱 模态分析对比固有频率和模态振型探讨不同变形模式新型耗能结构的耗能机理和相对变形模式。模态对比对传统结构强度模型和新型耗能结构强度模型进行模态分析,结果表明:新型耗能结构强度模型自振周期较传统结构强度模型相比有所延长,且新型耗
11、能结构体系的框架与剪力墙除第一阶振型相对运动一致外,其他振型出现了不一致的相对运动,如第二阶振型表现为剪力墙一阶振动时框架以二阶振型振动,这进一步增大了个别楼层两者的相对变形。表 为 新型耗能结构与传统结构的强度模型两阶自振周期对比,振型如图 所示。表 两种结构自振周期对比模型一阶周期 二阶周期 传统强度模型 耗能强度模型 不同刚度比的 耗能结构强度模型模态对比从上节可知,框架与剪力墙振动时相对侧向变形大小是 能否高效工作的关键,因此本文还考察了剪力墙和框架结构抗侧移刚度相对变化对 耗能敏感性的影响。通过对三种不同剪力墙与框架抗侧移刚度比耗能结构强度模型分析,选取安装有 的耗能结构强度模型进行
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