基于抗震韧性的框架—防屈曲支撑结构设计方法研究

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我国城镇化速度近年来逐渐提升,建筑的抗震能力尚无法与国家经济的快速发展相匹配的问题愈发凸显。因此,在确保人员生命安全的基础上,维持建筑功能与实现震后建筑快速修复成为迫切需要解决的问题之一。随着业主对结构安全需求的不断提升,传统设防目标中“大震不倒”的要求暴露出其局限性。本课题基于抗震韧性的思想,对传统防屈曲支撑-框架结构进行优化设计,提出功能可恢复防屈曲支撑-框架结构体系的设计方法,提升建筑的抗震能力和震后可修复性,对于社会的发展和建筑业的进步有重要价值和意义。本文梳理了抗震韧性、结构功能可恢复等相关概念理论,针对抗震设计中对结构震后修复考虑的不足,提出本文的研究内容与目的。以某实际工程为例,采用基于抗震韧性的设计方法对RC框架结构进行抗震设计,主要研究内容及成果如下:(1)本文结合防屈曲支撑的工作原理,选用高强度钢材,增加核心工作段长度,适当增加芯材截面面积,将传统防屈曲支撑改良为可恢复型防屈曲支撑。对传统防屈曲支撑-框架结构设计方法进行优化,在原结构体系中薄弱、位移变形较大的位置布置可恢复型防屈曲支撑,结合使用传统耗能型防屈曲支撑使整体结构在地震作用下达到兼具耗能和控制残余变形的目的。(2)本文运用ETABS和PERFORM-3D对某一RC框架工程进行结构设计和抗震性能分析。对该工程的无支撑框架结构进行弹性分析计算,结果显示:结构在小震下层间位移角大于1/550、周期比大于0.9,均不符合《抗规》GB 50011-2010、《高规》JGJ 3-2010中的设计要求。(3)使用功能可恢复防屈曲支撑-框架和传统型防屈曲支撑-框架两种结构方案对该RC框架工程重新进行结构设计和抗震性能比较。弹性分析时,小震下两种方案的周期比、层间位移角等宏观指标均符合规范标准,且二者计算结果差异性较小。对两种结构方案进行动力弹塑性时程分析后发现:大震下,功能可恢复防屈曲支撑-框架结构最大层间位移角为1/129,符合本文规定的性能目标(小于1/125),且最大残余位移角为1/207,符合文献及《韧性评价标准》GB/T 38591-2020中要求的可修复范围(小于1/200);传统型防屈曲支撑-框架结构最大层间位移角为1/51,不满足本文既定的性能目标,且结构顶点位移因受竖向构件被破坏而逐渐变大,震后最大残余位移角达到了1/15,远超过可修复的范围。由此,可明显判别出功能可恢复防屈曲支撑-框架结构的抗震性能优于传统型防屈曲支撑-框架结构,该可恢复型新体系对于震后的修复及建筑重新使用均具有良好的可行性。(4)比较现今常用的三种钢筋混凝土结构倒塌破坏判断准则,并确定本文在抗倒塌易损性分析中应用的准则。研究IDA法计算易损性的概率模型,通过MATLAB进行编码运算确定易损性分析中的相关参数并绘制易损性曲线。(5)对基于抗震韧性设计的防屈曲支撑-框架结构进行抗倒塌易损性分析,结果显示:大震下该结构倒塌概率低于10%,符合ATC-63文件中规定的限值,满足大震下的易损性要求。该结构体系具有较强的抗倒塌能力,在不同水平的地震作用下都表现出拥有良好的抗倒塌安全储备,体现了结构自身韧性,这对于震后建筑结构的继续使用提供了保障。
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