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2023年 第38卷 第12期
2023, 38(12): 1-26.
doi: 10.13206/j.gjgS23062902
摘要
PDF (1874KB)
摘要:
钢-混凝土组合结构因具有抗弯刚度大、承载力高、延性好和施工便捷等优点,适应国家新型城镇化建设重大需要,在城市人口密集区域和抗震设防高烈度区域应用广泛。在提高工程结构抗震设防标准的背景下,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,进一步提升其抗震韧性,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法对促进建筑结构实现“双碳”战略目标具有重要意义。
为此,归纳总结了钢-混凝土组合结构抗震性能的研究进展,包括钢-混凝土组合梁、钢管混凝土柱及钢管混凝土柱-组合梁节点的滞回性能试验研究,以及钢-混凝土组合结构体系的拟静力、拟动力及振动台试验研究,讨论并比较了各种抗震分析模型及其方法,提出了当前研究存在的一些问题和尚需深入研究的方向。
基于现有研究成果总结得到:1)组合梁主要依靠钢梁耗能,可采取增大钢梁截面尺寸的措施提高耗能能力。钢管混凝土柱主要依靠钢管和混凝土耗能,可采取拉筋增强约束措施直接约束混凝土,使其由脆性向塑性转变从而提高框架柱的耗能能力。与其他类型组合节点相比,刚性连接组合节点具有更好的耗能能力。2)罕遇地震下框架结构以梁耗能为主,而在超罕遇地震下仍以梁作为主要耗能部件将使工程成本大幅增加。由于超罕遇地震发生概率极低,若采取适当的增强约束措施使柱也具备耗能能力并参与耗能,则可在适当增加工程建设成本的同时使结构具有抵抗超罕遇地震的能力,此时组合结构抗震设计理念可由罕遇地震时的“强柱弱梁,梁耗能为主”向超罕遇地震时的“梁柱共同耗能”推进。3)基于平截面假定的杆系纤维模型计算软件通常适用于弹性和弹塑性小变形阶段分析,而当组合结构处于塑性大变形阶段时,结构杆件便不再符合平截面假设。对强震下组合结构体系的动力响应仿真模拟需要克服弹塑性小变形阶段的假定条件,采用适用于塑性大变形阶段结构分析的混凝土三轴弹塑性本构模型及相应的体-壳元模型是一种有效的途径。4)剪力墙结构具有整体性好、侧向刚度大等优点,但传统构造下其抗震能力较弱,可通过提升连梁和墙肢等耗能构件的耗能能力以增强结构整体耗能能力,如采用钢-混凝土组合连梁、型钢混凝土连梁或合理构造钢板连梁,以及型钢-约束混凝土或钢管混凝土墙肢等。5)工程结构在使用阶段面临着诸多灾害考验,传统方法根据不同外荷载进行独立抵抗设计,忽视了多灾害耦合作用机制,使结构综合抗灾性能难以满足使用需求,故建立安全可靠的抗多灾害设计方法和结构体系是结构工程师在防灾减灾领域的一项重大课题。
钢-混凝土组合结构因具有抗弯刚度大、承载力高、延性好和施工便捷等优点,适应国家新型城镇化建设重大需要,在城市人口密集区域和抗震设防高烈度区域应用广泛。在提高工程结构抗震设防标准的背景下,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,进一步提升其抗震韧性,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法对促进建筑结构实现“双碳”战略目标具有重要意义。
为此,归纳总结了钢-混凝土组合结构抗震性能的研究进展,包括钢-混凝土组合梁、钢管混凝土柱及钢管混凝土柱-组合梁节点的滞回性能试验研究,以及钢-混凝土组合结构体系的拟静力、拟动力及振动台试验研究,讨论并比较了各种抗震分析模型及其方法,提出了当前研究存在的一些问题和尚需深入研究的方向。
基于现有研究成果总结得到:1)组合梁主要依靠钢梁耗能,可采取增大钢梁截面尺寸的措施提高耗能能力。钢管混凝土柱主要依靠钢管和混凝土耗能,可采取拉筋增强约束措施直接约束混凝土,使其由脆性向塑性转变从而提高框架柱的耗能能力。与其他类型组合节点相比,刚性连接组合节点具有更好的耗能能力。2)罕遇地震下框架结构以梁耗能为主,而在超罕遇地震下仍以梁作为主要耗能部件将使工程成本大幅增加。由于超罕遇地震发生概率极低,若采取适当的增强约束措施使柱也具备耗能能力并参与耗能,则可在适当增加工程建设成本的同时使结构具有抵抗超罕遇地震的能力,此时组合结构抗震设计理念可由罕遇地震时的“强柱弱梁,梁耗能为主”向超罕遇地震时的“梁柱共同耗能”推进。3)基于平截面假定的杆系纤维模型计算软件通常适用于弹性和弹塑性小变形阶段分析,而当组合结构处于塑性大变形阶段时,结构杆件便不再符合平截面假设。对强震下组合结构体系的动力响应仿真模拟需要克服弹塑性小变形阶段的假定条件,采用适用于塑性大变形阶段结构分析的混凝土三轴弹塑性本构模型及相应的体-壳元模型是一种有效的途径。4)剪力墙结构具有整体性好、侧向刚度大等优点,但传统构造下其抗震能力较弱,可通过提升连梁和墙肢等耗能构件的耗能能力以增强结构整体耗能能力,如采用钢-混凝土组合连梁、型钢混凝土连梁或合理构造钢板连梁,以及型钢-约束混凝土或钢管混凝土墙肢等。5)工程结构在使用阶段面临着诸多灾害考验,传统方法根据不同外荷载进行独立抵抗设计,忽视了多灾害耦合作用机制,使结构综合抗灾性能难以满足使用需求,故建立安全可靠的抗多灾害设计方法和结构体系是结构工程师在防灾减灾领域的一项重大课题。
2023, 38(12): 27-38.
doi: 10.13206/j.gjgS23080501
摘要:
基于柱端拉筋对钢管混凝土柱、钢管混凝土柱-组合梁节点和钢管混凝土柱-组合梁平面框架结构抗震性能影响的试验研究成果，建立了钢管混凝土柱-组合梁空间框架结构动力时程分析的三维实体-壳单元模型，探讨了柱端拉筋和主梁加高等增强约束措施、削减钢梁跨中腹板高度的变截面组合梁以及多维地震波对结构抗震性能的影响规律，分析了不同地震波强度作用下该类组合框架结构的位移响应、轴压比时程曲线、应力-应变等曲线，以及结构塑性耗能分配机制、塑性铰形成与发展规律和结构刚度损伤演化规律等抗震性能指标。
有限元计算结果表明：1)柱端拉筋和主梁加高等增强约束措施均能有效提升组合框架结构抗震性能而减小结构刚度损伤，且地震波强度越大作用效果越明显；相同地震波作用时，柱端拉筋增强约束措施比主梁加高增强约束措施更有效，而两种增强约束措施共同作用则能进一步提升组合结构的极限抗震能力。2)柱端拉筋增强约束措施能够降低钢管壁与混凝土间界面滑移，增强混凝土的耗能能力，降低钢管混凝土柱塑性耗能占比，提升钢梁塑性耗能占比，提升结构总塑性耗能；此外，柱端拉筋增强约束措施还可减少组合框架柱端塑性铰并增加梁端塑性铰的数量，延缓柱端“压铰”的出现，延长“压铰”向“拉铰”转变的过程。3)降低钢梁跨中腹板高度的变截面组合梁对框架结构抗震性能没有影响，采用该变截面组合梁的框架模型不仅能够满足结构基本功能要求，还可节省结构耗材、降低造价，进一步扩大建筑实用空间。4)与单向地震波作用相比，多维地震波作用下组合框架结构的极限抗震能力大幅下降，结构失效模式由剪切破坏转变为剪扭破坏。另外，三维地震波中竖向加速度对框架结构柱端轴压比有放大作用，而对楼层最大位移、层间位移角、塑性耗能和刚度损伤等方面则无明显影响。柱端拉筋增强约束措施对组合框架结构抗震性能仍有提升作用。
2023, 38(12): 39-47.
doi: 10.13206/j.gjgS23081101
摘要:
为了充分发挥钢管混凝土框架-核心筒结构的承载和抗震潜力,提升强震下重要工程结构的安全性,对钢管混凝土框架-核心筒结构体系分别采取柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”等增强约束措施,探讨其对位移响应、塑性耗能、震后刚度损伤、二道防线和破坏模式的影响。分析结果显示:
1)核心筒作为结构第一道防线,当结构塑性发展程度较小时,采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施对结构变形的影响效果更佳;但随着结构进入塑性大变形阶段,采取柱端拉筋增强约束措施对底部加强区的层间变形的改善效果也很显著。
2)柱端拉筋增强约束措施对外框架二道防线的抗震性能影响显著,内拉筋构造技术提升了钢管混凝土柱的承载能力,保证了超强地震中框架柱不发生严重破坏,使得外框架将承担更大的地震倾覆力矩和剪力,从而协调内筒一起抵抗地震作用,并减缓内筒的损伤和塑性变形发展,有效发挥二道防线的抗震性能,实现整体结构不倒塌。
3)柱端拉筋增强约束措施改善了“强筒弱框”的破坏模式,内拉筋提升了钢管混凝土柱的耗能能力,有效限制了内筒塑性大变形发展,进一步扩大了核心筒墙肢耗能范围,使得墙肢和框架柱的塑性耗能分布更为合理,塑性发展更加均匀,形成了合理的双重防线破坏模式,因而最终减缓了结构整体刚度退化,提升了结构延性和抗震韧性。
为了充分发挥钢管混凝土框架-核心筒结构的承载和抗震潜力,提升强震下重要工程结构的安全性,对钢管混凝土框架-核心筒结构体系分别采取柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”等增强约束措施,探讨其对位移响应、塑性耗能、震后刚度损伤、二道防线和破坏模式的影响。分析结果显示:
1)核心筒作为结构第一道防线,当结构塑性发展程度较小时,采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施对结构变形的影响效果更佳;但随着结构进入塑性大变形阶段,采取柱端拉筋增强约束措施对底部加强区的层间变形的改善效果也很显著。
2)柱端拉筋增强约束措施对外框架二道防线的抗震性能影响显著,内拉筋构造技术提升了钢管混凝土柱的承载能力,保证了超强地震中框架柱不发生严重破坏,使得外框架将承担更大的地震倾覆力矩和剪力,从而协调内筒一起抵抗地震作用,并减缓内筒的损伤和塑性变形发展,有效发挥二道防线的抗震性能,实现整体结构不倒塌。
3)柱端拉筋增强约束措施改善了“强筒弱框”的破坏模式,内拉筋提升了钢管混凝土柱的耗能能力,有效限制了内筒塑性大变形发展,进一步扩大了核心筒墙肢耗能范围,使得墙肢和框架柱的塑性耗能分布更为合理,塑性发展更加均匀,形成了合理的双重防线破坏模式,因而最终减缓了结构整体刚度退化,提升了结构延性和抗震韧性。
2023, 38(12): 48-53.
doi: 10.13206/j.gjgS23063004
摘要:
基于固体物理周期结构的基本理论,将其应用于结构隔震来研究地震动波在周期结构中的传播。
首先构造复合周期钢结构模型，以两两单元之间相位差为参数：设钢结构中至少含2个有方向的周期单元，将这些单元两两黏合。首先固定第一个格子，按照黏合映射与方向复合的等距映射，它和第二个格子形成两格子周期结构，且其中2个周期结构方向之间有正的相位差。这2个格子向两端延伸，构成一维复合周期结构，且包含不少于2个有方向的周期结构。在一维复合周期结构中，每个格子再向平面内、空间内按照黏合映射与方向复合的等距映射延伸，组成二维、大于二维的复合周期结构。黏合映射与方向复合构成两两黏合后周期结构之间公共部分的映射，将地震动波从第一个单元传播到第二个单元，再依次传播到整个复合周期钢结构。
接着计算地震动波在复合周期结构中的响应，影响参数有：波数、黏合映射数、周期结构的尺度和这些参数中的结构相位差。假设响应是线性的，首先分别讨论单个参数影响，最后求和得到复合周期结构总响应。
由于地震动波具有随机性，服从给定的随机微分方程，结构响应也是可能取值的集合。故先讨论2个周期单元情形、一维情形的地震动响应。在两格子复合周期钢结构中，先在第一个格子输入给定的随机微分方程、初始条件和边界条件，应用集值随机过程和鞅理论计算，得到第一个格子的响应；再由相位差和三角函数性质，计算第二个格子的响应、一维结构中每一个格子的响应。
最后实施结构地震动响应的Markov控制，选择最优相位角，实现一类多项式函数响应目标：根据周期单元响应的集值随机过程性质，表示为扩散过程，由它的无穷小生成元构造对应的Dirichlet-Poisson方程，进而构造Hamilton-Jacobi-Bellman（HJB）方程，解得最优相位角，代回Dirichlet-Poisson方程，再求解得到控制结果。该响应随地震动波传播时间、初始幅值增大而降低。应用Monte Carlo模拟给定的随机地震动波，生成平稳分布，再采样。该采样序列分布服从该平稳分布，计算采样序列和Markov控制的方差，再比较随机地震动波示性函数和Markov控制的期望，表明Markov控制序列的波动性小于采样序列，Markov控制也降低了地震动响应的期望值。
该方法实现了复合周期钢结构地震动波响应的随机过程表示及Markov控制，为复合周期钢结构地震动波响应随机预测提供参考。
基于固体物理周期结构的基本理论,将其应用于结构隔震来研究地震动波在周期结构中的传播。
首先构造复合周期钢结构模型，以两两单元之间相位差为参数：设钢结构中至少含2个有方向的周期单元，将这些单元两两黏合。首先固定第一个格子，按照黏合映射与方向复合的等距映射，它和第二个格子形成两格子周期结构，且其中2个周期结构方向之间有正的相位差。这2个格子向两端延伸，构成一维复合周期结构，且包含不少于2个有方向的周期结构。在一维复合周期结构中，每个格子再向平面内、空间内按照黏合映射与方向复合的等距映射延伸，组成二维、大于二维的复合周期结构。黏合映射与方向复合构成两两黏合后周期结构之间公共部分的映射，将地震动波从第一个单元传播到第二个单元，再依次传播到整个复合周期钢结构。
接着计算地震动波在复合周期结构中的响应，影响参数有：波数、黏合映射数、周期结构的尺度和这些参数中的结构相位差。假设响应是线性的，首先分别讨论单个参数影响，最后求和得到复合周期结构总响应。
由于地震动波具有随机性，服从给定的随机微分方程，结构响应也是可能取值的集合。故先讨论2个周期单元情形、一维情形的地震动响应。在两格子复合周期钢结构中，先在第一个格子输入给定的随机微分方程、初始条件和边界条件，应用集值随机过程和鞅理论计算，得到第一个格子的响应；再由相位差和三角函数性质，计算第二个格子的响应、一维结构中每一个格子的响应。
最后实施结构地震动响应的Markov控制，选择最优相位角，实现一类多项式函数响应目标：根据周期单元响应的集值随机过程性质，表示为扩散过程，由它的无穷小生成元构造对应的Dirichlet-Poisson方程，进而构造Hamilton-Jacobi-Bellman（HJB）方程，解得最优相位角，代回Dirichlet-Poisson方程，再求解得到控制结果。该响应随地震动波传播时间、初始幅值增大而降低。应用Monte Carlo模拟给定的随机地震动波，生成平稳分布，再采样。该采样序列分布服从该平稳分布，计算采样序列和Markov控制的方差，再比较随机地震动波示性函数和Markov控制的期望，表明Markov控制序列的波动性小于采样序列，Markov控制也降低了地震动响应的期望值。
该方法实现了复合周期钢结构地震动波响应的随机过程表示及Markov控制，为复合周期钢结构地震动波响应随机预测提供参考。
2023, 38(12): 54-57.
doi: 10.13206/j.gjgS23060620
摘要:
论述人字支撑架横梁设计时不平衡力取较小值时的支撑架性能和带来的后果,分析发现支撑架的性能决定于横梁能够承受的不平衡力。基于4个系列算例,介绍了框架和人字支撑架按照抗侧承载力比值为1 ∶1和1 ∶3组成的双重抗侧力结构的侧向力-侧移角曲线,其中人字支撑架的横梁能够承担GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规定的不平衡力的30%和100%。因为压撑、拉撑和框架达到各自极限状态的侧移角是依次增加的,压撑先屈曲,然后承载力退化,但是框架的承载力在不断发挥,补偿了压撑承载力的退化。总的侧向力发生或不发生退化取决于横梁能够承担的不平衡力和框架与支撑的承载力比值。为此,拟合了总抗侧力退化不大于20%时框架抗侧承载力占比与支撑架横梁应该承担的不平衡力的比例关系。
论述人字支撑架横梁设计时不平衡力取较小值时的支撑架性能和带来的后果,分析发现支撑架的性能决定于横梁能够承受的不平衡力。基于4个系列算例,介绍了框架和人字支撑架按照抗侧承载力比值为1 ∶1和1 ∶3组成的双重抗侧力结构的侧向力-侧移角曲线,其中人字支撑架的横梁能够承担GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规定的不平衡力的30%和100%。因为压撑、拉撑和框架达到各自极限状态的侧移角是依次增加的,压撑先屈曲,然后承载力退化,但是框架的承载力在不断发挥,补偿了压撑承载力的退化。总的侧向力发生或不发生退化取决于横梁能够承担的不平衡力和框架与支撑的承载力比值。为此,拟合了总抗侧力退化不大于20%时框架抗侧承载力占比与支撑架横梁应该承担的不平衡力的比例关系。
