钢筋混凝土异形柱结构弹塑性动力分析与基于性能的抗震设计研究
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摘要
钢筋混凝土异形柱框架结构以其没有柱棱、增加有效使用面积、轻型节能、符合墙体改革方向，近年来得到广泛的应用。对异形柱结构的试验研究已相当多，而对其弹塑性性能，尤其对其在大震作用下的抗震性能的理论研究尚显不足。本文取合肥地区某一典型住宅建筑平面，分别设计成矩形柱、异形柱和短肢剪力墙结构，利用CANNY程序进行了结构在7度和8度设防情况下的三维弹塑性时程分析，并根据结构在8度设防时已不能满足抗震要求的情况，考虑了在异形柱结构基础上添加支撑的异形柱框架-支撑结构体系，进而研究了不同支撑设置方案下结构的抗震性能。
在基于性能的抗震设计中，结构地震反应的定量参数或指标可通过基于变形或基于能量的具体计算方法来实现。变形或能量的计算必须以结构的弹塑性性能分析为基础。文中对钢筋混凝土结构弹塑性时程分析中涉及到的杆件单元模型选择、恢复力模型确定等问题作了系统概述，依据三维弹塑性时程分析的结果，综合比较了各种结构的抗震性能，可供类似结构设计时作参考。
时程分析工作量大，费时，对计算机性能要求较高，对分析结果的评估需要较高的理论知识，不便于推广应用，设计人员需要一种简单实用的简化分析方法。本文采用一种改进的能力谱方法对异形柱和异形柱框-撑结构进行了分析，并与时程分析结果进行了比较。结果表明，该方法与时程分析的分析结果相差不大，可用于近似评估结构的抗震性能，是一种简单实用的方法。
The frame structure with special-shaped column excels in no prominence on the wall, enlarging useful chamber area, lightweight, according with the direction of wall material reformation. There is much test research about special-shaped column frame structure, but so lack about its elasto-plastic performance theory research in the strive earthquake. In this paper, the author chooses a representative building scheme, design the structure with RC frame, special-shaped column frame and short-leg shear wall. The author analysis 3-dimension elsato-plastic performance of three type of building structures in 7 and 8 defending intensity with the help of CANNY program. In the process, the author finds that the structure can't meet the regulation of seismic code in 8 defending intensity. So we adopt the frame structure with the special-shaped and bracing, and compare the structure seismic performance of several bracing-setting schemes.
In Performance-Based Seismic design, the quantitative parameter of structural earthquake response can be gained according to the deformation-based or energy-based computation method .The computation of deformation or energy must be based on the nonlinear time-history analysis of structure. Some problems such as the element model, the hysteresis model in the nonlinear time-history analysis of RC structure are summarized in the paper. According to the result of 3-dimension elasto-plastic time-history analysis, the author compares the seismic capability of these structures. The conclusions are of referential values for seismic design for similar structures.
Time-history analysis requires much time, workload and high capability computers. The evaluation of result requires much theory knowledge. So, this way is hard to spread. The engineers need a simple method. In this paper, the author analyses the special-shaped column structure and special-shaped column with bracing with the help of improved capacity spectrum method. The results were compared with those of time-history analysis. It indicates that improved capacity spectrum method is a simple and practical method and can be used to evaluate the structure seismic capability approximately.
在基于性能的抗震设计中，结构地震反应的定量参数或指标可通过基于变形或基于能量的具体计算方法来实现。变形或能量的计算必须以结构的弹塑性性能分析为基础。文中对钢筋混凝土结构弹塑性时程分析中涉及到的杆件单元模型选择、恢复力模型确定等问题作了系统概述，依据三维弹塑性时程分析的结果，综合比较了各种结构的抗震性能，可供类似结构设计时作参考。
时程分析工作量大，费时，对计算机性能要求较高，对分析结果的评估需要较高的理论知识，不便于推广应用，设计人员需要一种简单实用的简化分析方法。本文采用一种改进的能力谱方法对异形柱和异形柱框-撑结构进行了分析，并与时程分析结果进行了比较。结果表明，该方法与时程分析的分析结果相差不大，可用于近似评估结构的抗震性能，是一种简单实用的方法。
The frame structure with special-shaped column excels in no prominence on the wall, enlarging useful chamber area, lightweight, according with the direction of wall material reformation. There is much test research about special-shaped column frame structure, but so lack about its elasto-plastic performance theory research in the strive earthquake. In this paper, the author chooses a representative building scheme, design the structure with RC frame, special-shaped column frame and short-leg shear wall. The author analysis 3-dimension elsato-plastic performance of three type of building structures in 7 and 8 defending intensity with the help of CANNY program. In the process, the author finds that the structure can't meet the regulation of seismic code in 8 defending intensity. So we adopt the frame structure with the special-shaped and bracing, and compare the structure seismic performance of several bracing-setting schemes.
In Performance-Based Seismic design, the quantitative parameter of structural earthquake response can be gained according to the deformation-based or energy-based computation method .The computation of deformation or energy must be based on the nonlinear time-history analysis of structure. Some problems such as the element model, the hysteresis model in the nonlinear time-history analysis of RC structure are summarized in the paper. According to the result of 3-dimension elasto-plastic time-history analysis, the author compares the seismic capability of these structures. The conclusions are of referential values for seismic design for similar structures.
Time-history analysis requires much time, workload and high capability computers. The evaluation of result requires much theory knowledge. So, this way is hard to spread. The engineers need a simple method. In this paper, the author analyses the special-shaped column structure and special-shaped column with bracing with the help of improved capacity spectrum method. The results were compared with those of time-history analysis. It indicates that improved capacity spectrum method is a simple and practical method and can be used to evaluate the structure seismic capability approximately.
引文
[1]异形柱框架轻型节能建筑．墙体革新与建筑节能，1997．1(1)，39-43
[2]《关于加快墙体材料革新和推广节能建筑的意见》国务院，1992．12
[3]钢筋混凝土异型柱非线性全过程分析概述，世界地震工程，1996．11(4)，25-30
[4]曹万林，王光远。底层带支撑异形柱框架抗震分析初探．地震工程与工程振动，15(2)．1995
[5]曹万林，王光远．底层带支撑异形柱框架非线性地震反应分析．地震工程与工程振动．16(4)，1996
[6]曹万林等．异形柱框架结构底层支撑合理设置研究．地震工程与工程振动．17(1)，1997
[7]中高层大开间钢筋混凝土异形柱框架抗震性能研究地震工程与工程振动，1999，9(3)．59-64
[8]大开间异形柱框架弹塑性工作性能研究，世界地震工程，2000．3(1)，40-46
[9]钢筋混凝土异形柱框架结构抗震试验与分析，建筑结构，2002．1(1)，49-52
[10]何一东．钢筋混凝土异形柱实验研究．华南理工大学硕士论文，1989
[11]申东建．钢筋混凝土异形柱截面双向偏心受压柱受力性能及变形性能的理论研究．天津大学硕士论文．1995
[12]曹万林，王光远．周期反复荷载作用下钢筋混凝土十字形柱的性能．地震工程与工程振动．1994，14(3)
[13]曹万林，王光远．不同方向周期反复荷载作用下L形柱的性能．地震工程与工程振动，1995，15(1)
[14]曹万林，王光远．不同方向周期反复荷载作用下T形柱的性能．地震工程与工程振动，1995，15(4)
[15]曹万林等．钢筋混凝土十字形柱的非线性分析．世界地震工程，1995，(3)
[16]曹万林等．钢筋混凝土L形柱的非线性分析．世界地震工程．1995，(4)
[17]曹万林等．钢筋混凝土T形柱的非线性分析．世界地震工程．1996,(1)
[18]曹万林等．钢筋混凝土带暗柱十字形柱抗震性能试验．世界地震工程．1999(2)
[19]曹万林等．钢筋混凝土带暗柱T形柱抗震性能试验．世界地震工程．1999(3)
[20]曹万林等．钢筋混凝土带暗柱L形柱抗震性能试验．世界地震工程．1999(4)
[21]广东省标准．钢筋混凝土异形柱设计规程(DBJ/T15-15-95)．1995
[22]天津市标准．大开间住宅结构钢筋混凝土异形柱框轻结构技术规程(DB29-16-98)．1998
[23]陈肇元．要大幅提高建筑结构设计的安全度．建筑结构，1999(1)：3-6
[24]谢礼立，《抗震性态设计和基于性态的抗震设防》，国家自然科学基金重大
项目(59895410)—“大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究”专题年度研究报告(1998-1999)，1～10。
[25] 王亚勇，《我国2000年抗震设计模式规范展望》，第五届全国地震工程学术会议(1998年)，10～22。
[26] 周锡元，《基于功能的建筑抗震设计—概念和实施方略》，国家自然科学基金重大项目(59895410)—“大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究”专题年度报告(1999)，1～11。
[27] SEAOC Vision 2000 Committee. Performance-Based Seismic Engineering of Building [R].Report Prepared by Structural Engineers Association of California, Sacramento,California, USA, 1995
[28] 罗奇峰、王玉梅，《结构性能设计理论及其发展趋势》，第五届全国地震工程学术会议(1998年)，10～22。
[29] 叶献国，周锡元．建筑结构弹塑性反应简化分析方法的研究[R]．国家自然科学基金重大项目(59895410)——大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究专题年度研究报告，1999
[30] Anil K. Chopra, Rakesh K. Goel . Capacity-Demand-Diagram Methods for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures: SDF System[R]. Report No. PEER-1999/02, Pacific Earthquake Engineering Research Center
[31] T Nagao, H Mukai And D Nishikawa. Case Studies on Performance Based Seismic Design Using Capacity Spectrum Method[C]. Proceedings of 12th WCEE, Auckland, 2000
[32] FEMA 273. NEHRP Commentary on the Guidelines for the Rehabilitation of Buildings[R]. Federal Emergency Management Afency, Washington, D.C. September, 1996
[33] FEMA 274, NEHRP Guidelines for the Rehabilitation of Buildings[R]. Federal Emergency Management Afency, Washington, D.C. September, 1996
[34] Anil K. Chopra, Rakesh K. Goel . Capacity-Demand-Diagram Methods for Estimating Seismic Deformation of Inelastic Structures: SDF System[R]. Report No. PEER-1999/02, Pacific Earthquake Engineering Research Center
[35] 田颖，钱稼茹，刘凤阁．在用RC框架结构基于位移的抗震性能评估[J]．建筑结构．Vol．31(7)：53-59，2001
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[37]钱培风，《结构抗震分析》，地震出版社，1983年。
[38]柳炳康、周安、马克俭、黄慎江，《建筑结构抗震设计》，中国科学技术出版社，1996年。
[39]叶献国、周锡元，《建筑结构弹塑性反应简化分析方法的研究》，国家自然科学基金重大项目(59895410)—“大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究”专题年度研究报考(1999)，1～7。
[40]钱稼茹，邹积麟，《静力弹塑性分析在工程中的应用研究》，国家自然科学基金重大项目(59895410)—“大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究”专题年度报告(1999)，32～39。
[41]王松涛、曹资，《现代抗震设计方法》，中国建筑工业出版社，1997年。
[42]叶献国，《基于非线性分析的钢筋混凝土结构地震反应与破损的数值模拟》，土木工程学报，1998年8月，第4期，3～13。
[43]汪梦莆、沈蒲生，《钢筋混凝土高层结构非线性地震反应分析现状》，世界地震工程，14卷2期，1998年6月，1～9。
[44]杜修力，《结构弹塑性地震反应现状评述》，工程力学，11卷2期，1994年6月，99～104。
[45]李康宁、洪亮、叶献国，《结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用》，建筑结构，2001年第3期，53～57。
[46]陆兢、张铜生、崔鸿超，《大连远洋大厦弹塑性时程分析》，建筑结构，1998年10月，第10期，14～19。
[47]吴育才、黄宗明、王金海。《单层厂房震例及其应用》，山东科学技术出版社，1991年。
[48]龚思礼等，《建筑抗震设计》，中国建筑工业出版社，1994年。
[49]叶献国，《地震强度指标定义的客观评价》，合肥工业大学学报。第21卷第6期，1998年12月，7～10。
[50]王亚勇，《结构抗震时程分析法中地震波的选择》，工程抗震，1988年12月，第四期，15～22。
[51]曹万林，王光远，等．底层带支撑异形柱框架非线性地震反应分析．地震工程与工程振动．1996(4)，37-43
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[53]罗永坤．异形柱对高层结构受力特性影响浅析．建筑结构，1996(2)，22-25
[54]陈训聪．多层异形柱框架结构的抗震分析．华侨大学学报(自然科学版)1999(1)，61-64
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