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异形柱由于不会产生室内阳角,较大程度满足了人们对于建筑在室内空间实用性等方面的更高需求,得到了较为广泛的运用。但传统的钢筋混凝土(Reinforced concrete,RC)异形柱抗震性能较差,抗震设计要求较严,限制了异形柱结构的发展。近年来国内外学者结合性能优良的钢管混凝土(Concrete filledsteeltube,CFT),提出了CFT异形柱并对其进行了大量研究。但对于采用CFT异形柱的相关结构体系的研究还较为匮乏。本文基于现有研究成果,对CFT异形柱框架三维有限元模型进行了抗震分析,以期能为CFT异形柱结构的相关理论体系的完善提供参考。本文的主要研究内容如下:
①基于MSC.Marc有限元软件及用户子程序,根据现有的CFT异形柱框架试验研究,建立了CFT异形柱框架纤维模型,并对其进行了滞回性能分析,所得的滞回曲线及峰值承载力与试验结果吻合较好。证明该建模方法较为合理,为后续章节建立合理的CFT异形柱-H型钢梁框架结构体系抗震分析模型奠定了基础。
②对常规高度的CFT异形柱框架与CFT柱框架抗震性能通过时程分析法进行了对比,同时对CFT异形柱框架柱肢厚比及该结构最大适用高度进行了研究。首先采用ETABS设计了合理的对比模型,其次基于Marc建立了合理的纤维模型,然后选取特性及数量合适的地震动对结构进行了小、中、大震下的时程分析,最后对结构的顶点位移、基底剪力、层间位移角以及塑性发展规律进行了分析总结。
③基于上述纤维模型及选取的地震动,对结构进行了基于增量动力时程分析(IDA)的地震倒塌易损性分析,并得到结构的倒塌储备系数(Collapsemargin ratio,CMR),从而对各个对比结构的抗震性能及抗倒塌能力进行更全面的、定量的评价。
基于以上分析,本文的主要结论如下:
①常规高度下的CFT异形柱框架与矩形CFT柱框架具有相似的抗震性能及抗倒塌能力。因此,前者的设计可以参考《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)中的相关规定。但应适当对CFT异形柱进行加强,使梁先进入塑性,降低柱进入塑性的比重及其塑性发展程度。
②将柱肢厚比由4增大到5,不能显著改善结构在地震作用下的地震响应及抗倒塌能力。在此基础增大结构高度后,结构小震最大层间位移角及大震倒塌概率超限,地震响应大幅放大且倒塌安全储备大幅降低。故不建议将CFT异形柱肢厚比放宽至5。
③7度(0.1g)或8度(0.2g)下的CFT异形柱框架结构在略超过规范最大适用高度60m或50m时,小、中、大震下的地震响应以及结构的抗倒塌能力与CFT柱框架结构相近,但前者进入塑性的状态均以柱进入塑性为主。故CFT异形柱框架结构体系最大适用高度可参考《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)中相关规定,但应对CFT异形柱进行适当加强,使梁先进入塑性,降低柱进入塑性的比重及其塑性发展程度。
①基于MSC.Marc有限元软件及用户子程序,根据现有的CFT异形柱框架试验研究,建立了CFT异形柱框架纤维模型,并对其进行了滞回性能分析,所得的滞回曲线及峰值承载力与试验结果吻合较好。证明该建模方法较为合理,为后续章节建立合理的CFT异形柱-H型钢梁框架结构体系抗震分析模型奠定了基础。
②对常规高度的CFT异形柱框架与CFT柱框架抗震性能通过时程分析法进行了对比,同时对CFT异形柱框架柱肢厚比及该结构最大适用高度进行了研究。首先采用ETABS设计了合理的对比模型,其次基于Marc建立了合理的纤维模型,然后选取特性及数量合适的地震动对结构进行了小、中、大震下的时程分析,最后对结构的顶点位移、基底剪力、层间位移角以及塑性发展规律进行了分析总结。
③基于上述纤维模型及选取的地震动,对结构进行了基于增量动力时程分析(IDA)的地震倒塌易损性分析,并得到结构的倒塌储备系数(Collapsemargin ratio,CMR),从而对各个对比结构的抗震性能及抗倒塌能力进行更全面的、定量的评价。
基于以上分析,本文的主要结论如下:
①常规高度下的CFT异形柱框架与矩形CFT柱框架具有相似的抗震性能及抗倒塌能力。因此,前者的设计可以参考《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)中的相关规定。但应适当对CFT异形柱进行加强,使梁先进入塑性,降低柱进入塑性的比重及其塑性发展程度。
②将柱肢厚比由4增大到5,不能显著改善结构在地震作用下的地震响应及抗倒塌能力。在此基础增大结构高度后,结构小震最大层间位移角及大震倒塌概率超限,地震响应大幅放大且倒塌安全储备大幅降低。故不建议将CFT异形柱肢厚比放宽至5。
③7度(0.1g)或8度(0.2g)下的CFT异形柱框架结构在略超过规范最大适用高度60m或50m时,小、中、大震下的地震响应以及结构的抗倒塌能力与CFT柱框架结构相近,但前者进入塑性的状态均以柱进入塑性为主。故CFT异形柱框架结构体系最大适用高度可参考《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)中相关规定,但应对CFT异形柱进行适当加强,使梁先进入塑性,降低柱进入塑性的比重及其塑性发展程度。