钢网格-钢筋砼混合结构协同工作抗震性能研究

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在屋盖体系是钢结构,支承体系是钢筋混凝土的混合结构中,以钢网格作为上部围护结构的大跨度公共建筑已是设计的主流。但该混合结构的抗震分析中,上下部结构的整体分析还是采用分开分析,至今没有统一,这种混合结构上下协同工作的研究正处于起步阶段。本文以宁夏自然科学基金项目(NZ12164)为依托,结合本地区宁东体育馆工程案例,对钢网格-钢筋砼混合结构进行了非线性有限元分析,主要包括整体结构不同阻尼比的分析和体育馆不同设计分析方法的对比分析,研究的主要内容及结论如下:理论研究主要针对混合结构动力响应分析中不同材料的阻尼比理论,Midas Gen软件可分别输入混合结构各结构阻尼比。通过对混合结构阻尼比的研究,考虑了阻尼比这个关键参数的影响,采用各结构阻尼比与两种综合阻尼比进行对比分析,包括对比地震影响系数、钢筋砼框架结构的层间位移及位移角、内力及位移。研究表明:混合结构采用各结构阻尼比计算得到的结果满足规范要求,前三阶振型分别为X向、Y向平动和Z向扭转;混合结构整体分析低阶振型阻尼比更接近0.05,而高阶振型阻尼比更接近0.02;采用各结构阻尼比能真实反映整体结构的地震作用,同时可为综合阻尼比的选取提供参考依据;结构的阻尼比越大,整体结构的层间位移就越小;不同阻尼比对混合结构桁架单元、梁单元的内力及位移无显著影响,基本相同。设计此类混合结构时最好采用各结构阻尼比,若采用综合阻尼比,则推荐取0.04。本文通过对混合结构建立刚接和铰接的两种整体模型,参数同实际工程,从静力性能、动力特性、小震及大震作用下地震响应等方面与现行设计方法采用的单独设计法进行了对比分析。研究表明:静力作用下,考虑下部结构协同作用的整体分析使得钢屋盖的位移较均匀,突变差异较小,受力更好;分析结构的动力特性可知单独分析时频率之间会发生跳跃现象,而整体分析未出现,更接近实际结构;上部钢屋盖的刚度对整体结构自振特性的影响比较大,设计时应考虑下部钢筋砼框架结构的协同工作。小震作用下,整体分析的地震作用被放大,使得结构的位移及内力增大;整体结构采用铰接连接形式的地震响应比采用刚接时要大。大震作用下,整体分析的地震位移响应明显大于单独分析,整体分析的隔震效果好,采用单独计算还会造成材料浪费:整体结构采用刚接连接形式的地震响应比采用铰接时略大;整体分析得到的塑性铰数量及塑性铰等级明显高于钢屋盖单独分析,说明整体分析抗震延性较差,在设计时应予以加强。本文主要的创新点包括以下3点:(1)建立了钢网格-钢筋砼混合结构整体分析模型,考虑了非比例阻尼对整体结构地震响应的影响,对地震响应系数、钢筋砼结构的层间位移及位移角、杆件内力及位移这几个方面进行了对比分析。(2)对钢网格-钢筋砼混合结构进行整体结构有限元分析,建立上下部结构刚接和铰接两种整体分析模型,与现行设计方法进行静力、小震作用下、大震作用下、塑性铰的对比分析。(3)对宁夏地区体育馆混合结构进行了大震作用下的整体结构分析,揭示了其破坏机理,找到了整体结构的薄弱部位,并提出加强措施。
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