基于IDA方法的钢柱-钢板剪力墙耦合结构体系地震易损性分析

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钢板剪力墙主要通过墙肢底部抵抗地震作用,抗震设防机制较为单一,在地震作用下损伤集中在墙肢底部,震后不易修复。新型钢柱-钢板剪力墙耦合结构(Steel Column-Steel Plate Shear Wall Coupled Structure,以下简称SC-SPSW)体系是利用钢连梁连接钢板剪力墙和两侧钢柱形成的新型耦合结构体系。该体系可以充分发挥钢板剪力墙、钢连梁和钢柱之间的耦合作用,降低在大震作用下墙肢的损坏程度,具有良好的抗震性能。近年来,国外学者主要针对钢柱-钢筋混凝土剪力墙耦合结构体系的屈服机制和设计方法进行了研究,但是针对SC-SPSW体系的研究很少。并且国内学者对于这两种类型的钢柱-剪力墙耦合结构体系的研究更少。本文采用基于能量平衡的塑性设计理念,并结合相关规范推导出SC-SPSW体系的设计方法。利用SAP2000软件建立了12个SC-SPSW体系算例并对其进行了拟静力分析和非线性动力时程分析,研究结构的屈服机制以及耦连比(Coupling Ratio,以下简称CR)对结构受力性能的影响。之后基于IDA法对结构进行地震易损性分析来全面考察在随机地震动作用下结构体系破坏程度与地震动强度之间的具体关系。本文获得以下主要结论:(1)在本文的12个算例中,当CR取值为0.3、0.4和0.5时分析结果较好。CR过大会影响钢连梁率先屈服耗能而后VBE构件屈服的双重抗震防线的实现。并且CR的值越大,钢连梁在中震下的屈服率会越低。(2)SC-SPSW体系的实际CR随着最大层间位移角的变化曲线可以分为上升段,下降段和缓慢上升段。部分算例下降段最低点CR小于设计值,这是因为CR的设计值是基于钢连梁全部屈服的假定得出的,但是由于结构在VBE构件屈服时,少部分上层的钢连梁并没有屈服,这导致了结构的实际CR偏低。(3)本文采用的侧向力分布模式会使底层墙肢的设计倾覆力矩会更大。而SCSPSW体系的墙肢部分是弯曲破坏控制的,所以该设计侧向力分布模式一定程度上使结构更加安全。(4)本文采用的钢连梁剪力分配系数高估了底层钢连梁的剪力,剪力最大的钢连梁出现在结构的中下层。不同CR的结构在上层的钢连梁剪力分布差别不大。随着CR的减小,钢连梁剪力分布也更加均匀。(5)SC-SPSW体系中存在大量钢连梁耗能构件,可以有效的将结构整体的损伤分散到各个钢连梁,减少了墙肢底部的损伤,体现了SC-SPSW体系双重抗震防线机制的优势。(6)从结构的50%分位数曲线的对比图可以看出,在相同PGA地震动的作用下,CR越大,结构的最大层间位移角就越小。不同CR结构的分位数曲线在初始阶段都分布十分紧密,只有在PGA较大时才会发生离散。(7)提高CR对减少结构在小震和中震的下的损伤的效果一般,但是可以减少结构发生倒塌的概率。(8)在小震作用下,12个算例保持完好的平均概率为64.04%,发生轻微损坏的平均概率为27.74%。在中震作用下,12个算例达到中等损坏的平均概率为63.15%,发生较严重损坏的概率为27.14%。在大震作用下,12个算例达到不严重损伤的平均概率为63.99%,达到接近倒塌的平均概率为26.99%,结构倒塌的平均概率为0.83%。
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