门型网格支撑抗侧力结构抗震性能研究

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随着我国城镇化的推进,高层建筑的需求越来越大,抗侧力结构在高层建筑中起到了抵御风和地震等水平荷载的关键作用,是整个结构安全的关键。支撑结构构造简单、抗侧刚度大,是常用的抗侧力结构。然而,对于传统的支撑结构,无论是单斜杆还是人字形支撑,很难满足建筑开大尺寸门洞的需求。实际工程中开门洞时往往采用偏心支撑,但偏心支撑在水平荷载作用下,耗能梁段先发生屈服破坏,从而导致楼板过早破坏,不利于结构的修复和替换。此外,近些年国家大力发展装配式钢结构建筑,尤其是住宅建筑,要求抗侧力体系与围护结构的有机结合,传统的中心支撑抗侧力结构已不符合装配式钢结构建筑的发展要求。针对以上问题,本文提出一种新型的门型网格支撑抗侧力结构,在预留大尺寸门洞口的同时,通过网格化支撑结构形成多阶段耗能避免横梁发生破坏,保证结构的抗震性能,并且网格化的构造能有效减小支撑的计算长度,从而减小支撑结构的截面尺寸,便于和围护体系相结合,符合装配式建筑的发展要求,本文的主要研究内容如下:(1)设计了门型网格支撑抗侧力结构的1/2缩尺试件并完成拟静力滞回加载试验,对试验现象和试件的抗震性能进行分析,结果表明门型网格支撑钢框架试件的受力形式符合设计的“三阶段耗能”形式,即通过两侧斜撑利用轴力抗侧、中间V形支撑剪切耗能承担横梁处的竖向力形成第一、二阶段耗能;在前两阶段耗能方式破坏后,角撑、两侧斜撑上部、横撑与横梁形成类似“鱼腹梁”的受力形式,与框架共同形成第三阶段耗能。通过试验研究表明结构具有良好的延性和承载能力。(2)详细介绍了门型网格支撑抗侧力结构的有限元建模过程,使用Chaboche塑性本构模型和钢材应力三轴度损伤准则能够准确地模拟试件的破坏过程,模拟结果与试验结果较吻合,证明了建模方法的正确性和有限元模拟结果的可靠性。(3)对门型网格支撑抗侧力结构进行参数分析,研究了轴压比、各支撑杆件长细比及长细比匹配关系对结构抗震性能的影响。通过对比各项抗震性能指标得出门型网格支撑框架结构的轴压比增大会使结构承载力和延性降低。建议两侧斜撑长细比宜取在65至90之间、中间V形支撑长细比不宜超过两侧斜撑长细比的50%、横撑截面仅需满足与V形支撑连接时的构造要求、角撑轴向刚度取与V形支撑相近,截面尺寸不超过V形支撑时,结构按照“三阶段耗能”顺序进行耗能,并且横梁中间不会发生破坏,具有良好的抗侧能力,耗能能力和延性更好。(4)提出门型网格支撑基于性能的塑性设计方法(PBPD),通过预选结构的屈服机制,利用能量方程得到结构的设计基底剪力,选择能够准确估计柱端最大需求弯矩以及考虑高阶阵型影响的侧向力分布模式来确定各楼层的设计剪力。采用塑性设计方法设计各支撑构件,考虑构件的屈服和屈曲发展,采用弹性设计方法设计梁柱等非屈服构件,来达到结构预期的屈服机制和性能。
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