多高层钢结构案例基于性能目标的抗震分析与优化

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地震作为最严重的自然灾害之一,给人类带来了巨大的生命财产损失。现有的抗震规范仅以保证人的生命安全为单一设防目标抗震设计理念存在一定的不足。基于性能的抗震设计思想综合考虑生命安全和财产损失两方面的具体要求,是当前结构抗震设计理论的发展方向,并成为国内外结构抗震设计理论研究的热点。进入21世纪,多高层钢结构建筑如雨后春笋般的快速发展起来,尤其是装配式钢结构建筑以其绿色、环保和高效的特点,近年来受到了国家的大力推广和支持。因此,探究多高层钢结构基于性能的抗震设计理论,对既有的多高层钢结构案例进行基于性能目标的抗震分析与优化,对了解其抗震性能现状,提升其抗震能力,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要工作内容和结论如下:(1)简要介绍了多高层钢结构和基于性能的抗震理论的发展现状,揭示了对多高层钢结构进行抗震性能设计与分析的重要意义。(2)依据各国基于性能抗震设计的规范,并总结前人对多高层钢结构抗震性能的研究,提出了较为完整的多高层钢结构基于性能的抗震设计的内容,包括:地震作用水平、结构性能水平的划分、结构性能指标的量化,结构的性能目标等。(3)以山西省首个EPC装配式多高层钢结构公共建筑—山西基因诊断及药物研发基地凯尔科技中心项目西楼为背景,依据图纸建立了该结构的有限元模型,利用YJK-A软件对其进行了Pushover分析,结果表明:结构在各水平地震作用下的层间移角指标均符合Ⅱ类性能目标中的限值要求,但在罕遇地震作用下,其产生较重损伤或者破坏退出的结构构件数量较多。(4)基于原结构pushover的分析结果,以把原结构的抗震性能目标由Ⅱ类提升到Ⅲ类为目的,采用调整构件截面、设置隔震支座和设置防屈曲支撑的方法对原结构进行抗震性能优化,并对优化后结构进行Pushover分析,结果表明:优化后的结构在各水平地震作用下的层间移角指标均符Ⅲ类性能目标中的限值要求,并且使各水平地震作用下构件破坏程度超过Ⅲ类性能目标的数量减少了50%以上,综合考虑其基本能满足Ⅲ类性能目标要求,相较于原结构的抗震水平提升了一个等级。(5)对原结构及优化后的结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析并进行抗倒塌能力评价,结果表明:三种优化方案使原结构的层间位移角降低14%以上,满足Ⅲ类性能目标的限值要求。调整构件截面、设置隔震支座和设置防屈曲支撑分别使原结构抗倒塌能力系数由原结构的2.1分别增加到了2.2、3.9和2.5。(6)通过对比不同结构的抗震性能指标可以得出:减隔震结构提升抗震性能水平的能力要优于调整构件截面,其中设置隔震支座对原结构的抗震性能水平的提升效果最为显著。
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