柱轴压比对“强柱弱梁”机制的影响

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在强震时,钢筋混凝土框架结构较理想的破坏模式是在梁端形成塑性铰,柱保持在弹性状态或者柱端最后形成塑性铰。这样的框架结构具有较大的延性,从而能保证“大震不倒”的设防目标,也就是“强柱弱梁”屈服模式。规范通过柱轴压比限值、构造措施等来保证框架结构的延性,但依据实际发生的地震震害表明,部分框架在地震时并没有完全实现这一理想的破坏模式,很多框架结构在强震作用下产生了较大的侧移甚至倒塌。其原因是强震作用会对框架结构产生较大的倾覆力矩,从而使柱产生较大的轴力,改变了柱的轴压比,使其超过规范的限值(特别是当设计时采用轴压比限值来估算截面尺寸时)。由N-M的关系曲线可知,柱轴力的增加又降低了柱抵抗弯矩的能力,柱较早发生弯曲破坏,使柱端先于梁端产生塑性铰,柱端塑性铰屈服耗能较快,形成了楼层屈服机制,从而使框架结构在强震中没有表现出我们预期的“强柱弱梁”破坏模式,会带来巨大的人身安全威胁和经济财产损失。基于柱轴压比对框架延性影响的重要性,本文通过分析框架结构在强震中的破坏情况,采用数值模拟的方法建模计算分析,研究轴压比变化对“强柱弱梁”屈服机制的影响。  本研究主要内容包括:⑴从弹性理论入手,分析柱轴压比对框架结构延性的作用及影响,介绍了弹塑性分析方法的基础理论。⑵通过两种方式进行柱轴压比的控制:保持柱竖向荷载不变,改变混凝土柱抗压强度等级;保持柱截面尺寸不变,改变梁间荷载,以达到改变柱竖向荷载的目的。同时按照规范规定进行结构内力计算和配筋,运用SAP2000建立有限元模型,采用Pushover分析以及非线性时程分析方法进行分析。⑶对比分析了Pushovr分析以及非线性时程分析的结果,量化了柱轴压比与楼层位移、层间位移角、塑性铰出现顺序的关系,发现随着轴压比的增大,框架结构延性有所下降、框架结构较难实现“强柱弱梁”屈服模式;竖向荷载在短期内能提高框架结构抗侧移能力,但容易发生脆性破坏,延性储备不足。
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