地震作用下RC框剪结构剪力墙和框架柱的曲率延性与结构层间位移延性关系

作者:李飞前 刊名:铁道建筑技术 上传者:毕研韬

【摘要】研究地震作用下RC框剪结构的框架柱、剪力墙的曲率延性需求与结构最大层间位移延性需求之间的统计关系。框架柱、梁与剪力墙均采用指定弯矩―曲率关系的滞回单元,建立15层和30层平面RC框架剪力墙数值结构。通过弹塑性静力分析和地震动力时程分析,获得框架柱、剪力墙的曲率延性需求以及结构最大层间位移延性需求,探讨地震加速度峰值、结构弯剪比例对延性需求的影响,分别建立框架柱曲率延性需求与结构层间位移延性需求、剪力墙曲率延性需求与结构层间位移延性需求的定量统计关系。结果表明:框架柱、剪力墙的曲率延性需求和结构层间位移延性需求随地震加速度峰值增加而增加;剪力墙曲率延性需求随弯剪比例系数增加而减小,而框架柱和结构层间位移延性需求随弯剪比例系数增加而增加。考虑弯剪比例影响,拟合建立的函数模型与样本分析数据有较好的吻合,可指导RC框剪结构的初步抗震延性设计和评估。

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1引言在体系能力抗震设计方法中,结构抗倒塌设计需通过设计计算手段对破坏模式加以控制,使之形成预期的最佳耗能机构。因此,把握结构延性需求与结构关键部位单元曲率延性需求的约束关系是实现失效机制控制所要解决的问题之一。此外,结构构件延性大小不是评价结构抗震性能的唯一指标,也不能认为塑性发挥愈充分就一定愈有利,因为在地震作用下结构进入延性状态意味着开始破坏,过大地利用非弹性变形将使结构几何非线形以及次生内力等问题迅速加骤。因此,应将承载能力和延性能力综合考虑,从整体概念设计的角度规定结构局部塑性程度,使之与规范要求的整体延性相协调。关于结构延性约束关系在国际抗震设计规范中的应用,欧盟抗震设计规范[1]要求根据不同结构体系以及性能系数设计的结构单元应具有足够且协调的延性能力,给出相对保守的构件曲率延性与结构基本性能系数之间的定量关系。一般认为,我国建筑抗震设计规范混凝土结构的影响系数约为0.35,相应的结构位移延性系数约为3.0~4.0,实际上设计规范已经约定了整体结构的延性水平,但规范并没有给出结构构件对应的塑性状态和延性计算方法,而以承载力验算隐含延性要求的方式容易给人误解。由于缺乏用于直接检查和控制结构单元延性需求和整体延性需求关系的量化表达,结构构件层次的延性设计难以有效把握。在结构抗震延性约束关系的研究方面,主要有Cosenza[2]、Biondini[3]、Kunnath[4]、Lu[5]针对多层混凝土框架结构,Gioncu[6]、Bojorquez[7]、Lee[8]针对多高层钢框架结构开展了相关研究。在国内,赵艳静[9]基于假定的完全梁铰侧移机构的框架系统建立了框架梁和框架柱曲率延性与结构延性需求的关系;周靖[10,11]采用理论方法解析了多层结构杆件、楼层和整体延性需求一般关系;并收集国内32组梁铰屈服破坏机制为主的多层混凝土框架结构和框架柱的延性试验数据,建立结构位移延性与框架柱曲率延性的定量关系。现有研究中存在的不足主要是针对性试验研究极少,研究对象主要是框架结构,而且统计分析的数量有限,量化关系缺乏普遍性。多高层混凝土框剪结构一般楼层高、高阶振型复杂、结构刚度特征值影响结构侧移模式和楼层剪力分配,剪力墙和框架柱的延性需求不同。鉴于此,本文以典型高层混凝土框剪结构为对象,研究建立结构层间位移延性与框架柱和剪力墙曲率延性的统计关系。2地震动记录和结构参数2.1输入地震动记录选用5条1999年台湾集集地震南北向地震动记录(见表1),通过软件SeismoMatch[12]匹配,使地震记录在统计意义上具有中硬土类场地特性,弹性加速度反应谱特性如图1所示。表1选用的5条地震动记录记录站台PGA/gPGV/(cms-1)PGD/cm断层距/km延时/sHWA031-N0.10114.110.9150.3660HWA028-N0.09116.713.0157.9360HWA019-N0.13717.418.2858.7760HWA012-N0.07112.911.1260.3060HWA009-N0.10315.812.5959.6760图1匹配加速度反应谱与设计反应谱的比较2.2框剪数值结构根据我国现行建筑抗震设计规范8度要求,分别设计15层和30层典型RC框剪结构,底层高度4m,其他层高均为3m,跨度均为6m。选择其中1榀平面框剪结构作为分析对象,结构立面如图2所示。平面结构的地震弹塑性动力时程分析和静力弹塑性分析采用专业结构分析软件CANNY2010[13]执行。为了获得结构及单元的极限变形和曲率延性,梁、柱和剪力墙单元均采用指定弯矩曲率关系

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