钢筋混凝土框架结构直接基于位移的抗振设计方法研究

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基于性能的结构抗震设计理论是二十世纪九十年代土木工程学界出现的一种全新的抗震设计理念。经过近二十年的研究和实践,性能设计思想已经开始逐渐运用于实际工程,性能设计理论也因此日渐成熟和丰富。直接基于位移的抗震设计方法便是一种实现建筑结构性能设计的有效方法。传统的抗震规范先按照基于强度的方法进行结构设计,然后再对设计的结构进行变形验算,而直接基于位移的抗震设计方法从一开始就以结构位移作为性能控制参数进行结构设计,从而能较好地把握结构在地震下的行为。   本文分析了现行抗震设计规范存在的不足,阐述了抗震性能设计思想的产生和发展现状,说明了性能设计的理论框架及实现方法,指出性能设计就是按照“投资—效益”准则对结构进行基于可靠度的优化设计的过程。基于性能的抗震设计需要首先对结构的性能水准进行定义和划分,不同的设计方法其性能水准的定义也是不同的。研究表明,变形能够反映出结构反应从开裂到倒塌的全过程,故采用与变形有关的量来定义结构的性能水准。本文充分利用国内外利用层间位移角定义和划分性能水准的成果,在直接基于位移的抗震设计方法中选用层间位移角作为结构整体抗震性能的量化性能指标。   为求解多自由度体系结构在弹塑性状态时的地震作用,采用等代结构法将弹塑性多自由度体系转换成等效弹性单自由度体系,从而实现地震作用的等效代换。在建立等效单自由度体系的过程中,针对等效刚度计算误差大的问题介绍了一种改进的等效刚度的计算方法,同时还对等效阻尼比、位移反应谱等决定地震作用的关键因素进行了详细的阐述。   结构的抗震性能评估是基于性能抗震设计的重要组成部分,能力谱法因其直观的评估手段逐渐成为结构的抗震性能评估的主要方法。本文介绍了能力谱法的基本原理及其在SAP2000中的实施步骤,利用能力谱法对混凝土框架结构进行了抗震性能评估,比较了采用不同的侧向荷载分布方式对结构进行Pushover能力谱法分析,建议为准确合理的评估结构的抗震性能,Pushover分析时应结合结构特点选用两种或者三种不同的侧向荷载进行分析。   运用直接基于位移的抗震设计的方法对一钢筋混凝土框架结构进行了分别针对正常使用、修复后使用、防止倒塌的性能水准设计。通过设计实例可以看出,位移比强度更能体现结构在地震作用下的性能,直接基于位移的抗震设计方法比现行的基于强度的抗震设计方法的概念更加清晰。   位移模式在直接基于位移设计中决定了设计地震作用的大小和分布方式,现有的位移模式都不能很好的满足直接基于位移设计的要求,针对这一问题,通过建立钢筋混凝土框架非线性分析模型,研究了地震强度、地震波输入、楼层高度、柱端弯矩增大系数对混凝土框架结构位移模式的影响,为建立钢筋混凝土框架结构位移模式的计算模型提供了依据。
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