1  緒論 

1.1  SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 
SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)是從 SRC 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)一般由型鋼柱、鋼梁和樓板組成。與純鋼框架以及 RC 框架結(jié)構(gòu)相比，SRC 混合框架結(jié)構(gòu)在抗震性能以及經(jīng)濟(jì)性方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[2]。與純鋼框架結(jié)構(gòu)相比，SRC 柱-鋼梁混合框架的強(qiáng)度和剛度更大、防腐蝕與耐火性能更強(qiáng)，而且整體穩(wěn)定性更佳；與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有截面尺寸小、抗震性能好以及施工方便等特點(diǎn)。 改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足一些特殊的建筑類型的要求，SRC 結(jié)構(gòu)憑借自身優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始在大跨度結(jié)構(gòu)以及高烈度地區(qū)的建筑中得到推廣使用。隨著 SRC 結(jié)構(gòu)理論研究和設(shè)計(jì)方法的深入，SRC 結(jié)構(gòu)將逐步成為一種重要的結(jié)構(gòu)體系。 
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1.2  結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展
地震是危及人們生命財(cái)產(chǎn)安全的一種突發(fā)性災(zāi)害，破壞性大的地震會(huì)帶來(lái)巨大災(zāi)難。借助于科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類在不斷遭受地震災(zāi)害的同時(shí)，積極探索地震成因以及地震作用原理，總結(jié)震害經(jīng)驗(yàn)，提出抗震設(shè)防理論和方法，人們對(duì)地震作用和結(jié)構(gòu)抗震能力認(rèn)識(shí)的不斷深化構(gòu)成了結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展歷史。 自 20 世紀(jì)初以來(lái)，結(jié)構(gòu)抗震理論主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：靜力理論、反應(yīng)譜理論、時(shí)程分析理論、基于性能理論。反應(yīng)譜理論是在 20 世紀(jì)中葉產(chǎn)生的，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量地震動(dòng)數(shù)據(jù)得以記錄，1932 年，第一臺(tái)強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)記錄儀在美國(guó)誕生，其在隨后的幾十年間陸續(xù)取得了包括 EI-Centro 在內(nèi)的許多強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)記錄。在此基礎(chǔ)之上，美國(guó)學(xué)者 Biot 通過(guò)對(duì)已有的強(qiáng)震記錄進(jìn)行分析，提出了反應(yīng)譜的概念。 總之，將強(qiáng)震記錄得到的地震波作用于單質(zhì)點(diǎn)體系，可以得到結(jié)構(gòu)自振周期和結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的函數(shù)關(guān)系。為了使反應(yīng)譜能夠應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)，根據(jù)大量地震記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出最有代表性的曲線作為設(shè)計(jì)依據(jù)，我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)中的反應(yīng)譜即運(yùn)用了以上理論。 反應(yīng)譜法實(shí)質(zhì)上仍是一種擬靜力分析方法，不能考慮地震作用的持時(shí)性和隨機(jī)性，而且反應(yīng)譜法無(wú)法直接考慮地震作用下結(jié)構(gòu)的周期、振型、阻尼等動(dòng)力特性發(fā)生改變而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布現(xiàn)象。 
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2   SRC 柱-鋼梁混合框架的性能水平及量化 

在 SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)性能化的抗震設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵問(wèn)題是確定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)和在各種性能水平下結(jié)構(gòu)的變形限值。結(jié)構(gòu)的性能與自身的破壞特點(diǎn)有關(guān)，故在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中可以采用延性系數(shù)、力、曲率和變形等一系列能夠反映構(gòu)件破壞狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)來(lái)定義。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）在結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)方法中給出了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能要求的層間位移角參考指標(biāo)，但并未對(duì) SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的規(guī)定。 

2.1   SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)的性能水平劃分和設(shè)防目標(biāo)  
地震設(shè)防水準(zhǔn)是指結(jié)構(gòu)可能遭受的地震作用的大小，世界各國(guó)的抗震規(guī)范對(duì)地震設(shè)防水準(zhǔn)都作了規(guī)定，但由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的因素，國(guó)內(nèi)外在這方面的規(guī)定并未完全一致。目前我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中采用的是小震、中震、大震三種設(shè)防水準(zhǔn)，其中的小震、中震和大震是采用國(guó)內(nèi)不同地區(qū) 45 個(gè)城鎮(zhèn)的地震分析數(shù)據(jù)并用概率的方法進(jìn)行分析總結(jié)，最終對(duì)我國(guó)抗震設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行了劃分，，如表 2.1 所示。 歐洲規(guī)范對(duì)地震水準(zhǔn)的劃分較為簡(jiǎn)單，根據(jù)防止倒塌以及限制破壞這兩個(gè)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，分別將其劃分為 50 年超越概率為 10%的基本地震和 10 年超越概率為 10%的折減地震。 美國(guó)也是多地震的國(guó)家，并且性能化設(shè)計(jì)理論在美國(guó)受到廣泛關(guān)注并取得了很大發(fā)展。美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（Federal Emergency Management Agency，F(xiàn)EMA）、美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)（Applied Technology Council，ATC）以及加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)（Structural Engineers Association of California，SEAOC）都對(duì)此進(jìn)行了研究，其中美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)在 ATC-40 中將地震設(shè)防水準(zhǔn)劃分成三級(jí)，相應(yīng)的，加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)和美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局分別在 Vision2000和 FEMA356 中均將其劃分為四級(jí)，具體劃分情況如表 2.2 所示。通過(guò)比較表 2.1 和表 2.2 中我國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范劃分的地震設(shè)防水準(zhǔn)，可以看出，美國(guó)對(duì)地震設(shè)防水準(zhǔn)的劃分較為具體，特別是我國(guó)規(guī)范多遇地震和罕遇地震的超越概率相差較大，兩者之間只有一個(gè)設(shè)防地震，這對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了彌補(bǔ)不足并更好的運(yùn)用基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論，門(mén)進(jìn)杰，史慶軒[22]提出中小震的概念并將其置于多遇地震和設(shè)防地震之間，從而將我國(guó)規(guī)范規(guī)定的地震設(shè)防水準(zhǔn)劃分為四級(jí)，具體如表 2.3 所示。本文將采用表 2.3 中的四個(gè)地震設(shè)防水準(zhǔn)對(duì) SRC 柱-鋼梁混合框架進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)。 
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2.2  SRC 柱的失效判別標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù) 

結(jié)構(gòu)的性能水平需要一些具體的指標(biāo)或參數(shù)來(lái)描述，如延性系數(shù)、曲率等，相較于其它位移參數(shù)，結(jié)構(gòu)的層間位移角能夠很好的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞程度，且能直觀的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的性能水平。因此，對(duì)于 SRC 柱－鋼梁混合框架，本文將層間位移角作為結(jié)構(gòu)各性能水平的量化指標(biāo)。 從表 2.6 和表 2.7 中可以看出，我國(guó)規(guī)范中只列出了多遇地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角限值，對(duì)于設(shè)防地震即中震作用水平下結(jié)構(gòu)的變形限值并未作出明確的規(guī)定，而且我國(guó)規(guī)范中給出的主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、以及筒中筒和抗震墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值，并未對(duì) SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)作出規(guī)定。 水平荷載作用下實(shí)腹式型鋼混凝土柱的破壞形態(tài)主要有彎曲破壞、剪切斜壓破壞和剪切粘結(jié)破壞三種，型鋼混凝土柱的破壞形態(tài)與剪跨比有一定的關(guān)系。 當(dāng) λ 比較�。é�<1.5）時(shí)，型鋼混凝土柱常常發(fā)生剪切斜壓破壞，破壞方式為柱子的腹部首先產(chǎn)生許多交叉類型的斜向裂縫，這些斜向裂縫將其分為若干菱形形狀部分，隨后伴隨著荷載繼續(xù)增大，柱子表面之前形成的斜向裂縫將繼續(xù)增大，直至形成較為顯著的幾條主斜裂縫為止，此時(shí)被分割的混凝土塊類似受壓短柱，而型鋼混凝土柱中的型鋼腹板部分近似處于純受剪狀態(tài)，最終型鋼混凝土柱中被分割的混凝土部分壓碎導(dǎo)致脫落，相應(yīng)的型鋼腹板在剪應(yīng)力的作用下最終亦達(dá)到屈服狀態(tài)。 

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3  SRC 柱-鋼梁混合框架 Pushover 分析 ....... 22 
3.1  Pushover 分析方法的原理及步驟 ........ 22 
3.1.1  Pushover 分析方法的原理 .......... 22 
3.1.2  Pushover 分析方法的步驟 .......... 23 
3.2  Pushover 分析方法的側(cè)向加載模式 ...... 24 
3.3  性能化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)彈塑性分析的關(guān)系 ..... 26 
3.4  結(jié)構(gòu)彈塑性分析在 ABAQUS 上的實(shí)現(xiàn) ...... 27 
3.4.1  概述 ....... 27 
3.4.2  ABAQUS 的纖維桿件模型 ..... 27 
3.4.3  有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析 ........ 32 
3.5  本章小結(jié) ........ 33 
4  SRC 柱-鋼梁框架直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)實(shí)例 ..... 34 
4.1  SRC 柱－鋼梁混合框架的初始側(cè)移模式 .......... 34 
4.2  等效單自由度體系的等效參數(shù) .... 35 
4.3  目標(biāo)位移及位移反應(yīng)譜 .......... 37 
4.3.1  目標(biāo)位移 .......... 37 
4.3.2  位移反應(yīng)譜 ........ 38 
4.4  SRC 柱-鋼梁框架直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)步驟 .......... 39 
4.5  SRC 柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例 ...... 40
4.6  本章小結(jié) ........ 57 
5  結(jié)論與展望 ........ 58 
5.1  結(jié)論 ..... 58 
5.2  展望 ..... 58 

4  SRC 柱-鋼梁框架直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)實(shí)例 

直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法要求預(yù)先確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移，然后以目標(biāo)位移為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有預(yù)期的抗震性能。該方法應(yīng)先確定結(jié)構(gòu)的側(cè)移模式，然后將多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，結(jié)合位移反應(yīng)譜求得等效體系的目標(biāo)參數(shù)，最后對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。 

4.1  SRC 柱－鋼梁混合框架的初始側(cè)移模式 
對(duì)于層數(shù)不多，高度不大的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，其水平側(cè)移曲線為整體剪切型，與上端固定，下端自由的等截面剪切懸臂柱的剪切變形曲線類似，故對(duì)此類結(jié)構(gòu)可以采用等截面剪切懸臂柱的側(cè)移模式。等截面剪切懸臂柱側(cè)移模式如圖 4.1 所示。大量研究表明，SRC 框架結(jié)構(gòu)在某一強(qiáng)度水準(zhǔn)地震作用下各樓層不會(huì)同時(shí)達(dá)到相應(yīng)的層間位移角限值，一般只在最薄弱的某一層或相對(duì)薄弱的某幾層達(dá)到極限狀態(tài)。在計(jì)算結(jié)構(gòu)各層的側(cè)移時(shí)，可以通過(guò)對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型分析或直接比較各個(gè)樓層的側(cè)向剛度來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層。對(duì)于剛度和質(zhì)量沿高度分布均勻的 SRC 框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的薄弱層可取底層或二、三層。直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法需要用到位移反應(yīng)譜，由于目前彈塑性位移反應(yīng)譜的建立方法尚未成熟，故本文在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)仍舊基于彈性位移譜，并通過(guò)等效阻尼比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性位移譜的折減，從而近似考慮結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)時(shí)的性能變化。 
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結(jié)論 

基于位移的抗震設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的重要途徑，同時(shí)是目前應(yīng)用較為廣泛和成熟的基于性能設(shè)計(jì)方法。本文提出了 SRC 柱-鋼梁混合框架直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用該方法對(duì) 8 層型鋼混凝土柱-鋼梁框架算例進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論： 
（1）參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，將 SRC 柱-鋼梁混合框架的性能水平劃分為使用良好、暫時(shí)使用、修復(fù)后使用和接近倒塌四檔，結(jié)合四個(gè)地震作用水平建立了 SRC 柱-鋼梁混合框架的抗震性能目標(biāo)。 
（2）對(duì)于規(guī)則型鋼混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)，由于層間位移角能夠較好的反映結(jié)構(gòu)的受力、變形性能，故將其作為型鋼混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)各個(gè)性能水平的量化指標(biāo)并給出了結(jié)構(gòu)各個(gè)性能水平的層間位移角限值。 
（3）對(duì)一 8 層型鋼混凝土柱-鋼梁混合框架進(jìn)行了直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)，并采用有限元分析軟件 ABAQUS 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力彈塑性分析。結(jié)果表明，這種方法能夠較好的控制結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下的性態(tài)，簡(jiǎn)單易操作，滿足了基于位移的抗震設(shè)計(jì)思想的要求。 
（4）對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和直接基于位移法設(shè)計(jì)的混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，兩種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有所差異，后者在中小震和中震作用下能夠表現(xiàn)出更好的性能，即能夠更好地滿足多階段抗震要求。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：152366