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基于柱端不屈服的空间框架柱端弯矩增大系数取值研究

作　者: 谢海兵
导　师: 杨红
学　校: 重庆大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢筋混凝土结构非线性分析双向偏压柱端弯矩增大系数空间框架
分类号: TU375.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

中国抗震规范通过柱端弯矩增大系数将梁、柱的抗弯承载力拉开一定差距，目的是引导框架在大震下形成以梁端屈服后耗能为主的屈服机制，梁端屈服型框架有较大的内力重分布和能量耗散能力，且抗地震倒塌能力好，因此柱端弯矩增大系数的合理取值非常关键。按我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）设计的框架结构在汶川地震中大多未形成梁端屈服为主的耗能机制，有的甚至倒塌。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称为抗震规范）对柱端弯矩增大系数c有了较大幅度的提高，那么到底多大的柱端弯矩增大系数才是上限，也就是大震下柱端截面不屈服需要多大的柱端弯矩增大系数值仍是有待研究的问题。本文按照2010版抗震规范设计了7度0.1g区空间框架结构，在建立非线性模型时，人为提高柱纵筋屈服强度，使得其在大震下不屈服，其它材料则正常模拟。采用SRSS谱选波法选取30组地面运动记录，对结构分别输入所选的地面运动记录，提取除底层柱底截面以外柱端截面的内力时程，对内力时程采用基于截面不屈服的双向偏压程序求解配筋。用MATLAB编制《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）提供的两种计算双向偏压截面承载力的计算程序，包括倪克勤公式和附录E中的计算方法，同时解决了迭代初始值的取值问题。根据截面屈服的定义对基于极限状态的双向偏压程序基础上进行修正，得到了基于截面不屈服的双向偏压截面配筋计算程序。用OpenSees软件对上述MATLAB自编程序进行校核，结果证明该自编程序准确度高。根据基于截面不屈服的双向偏压程序和大震下各柱端截面的内力时程计算得到截面纵筋面积，由此可以反推出截面不屈服所需的柱端弯矩增大系数η_c-cal。最后本文按照建议的柱端弯矩增大系数取值重新设计框架，对框架输入大震水准的多组地震波，考察了框架在地震下的反应，并评价了建议系数的性能控制效果。通过上述工作，本文得到如下结论：①框架柱按基于大震水准不屈服的性态水准设计时，计算柱截面承载力更合理的是采用基于截面不屈服的设计方法，当地震动是双向地震波输入时，计算柱截面的承载力可采用本文所编的基于截面不屈服的双向偏压程序。②平面位置对称的柱子其所需求的柱端弯矩增大系数基本一致，节点的上、下柱端不屈服所需求的柱端弯矩增大系数η_c-cal不一样。按照抗震规范式6.2.2-1调整柱端承载力，角柱的各柱端截面η_c-cal需求普遍较小，中柱的各柱端截面η_c-cal需求普遍较大。③对于7度0.1g区的框架，按照抗震规范的式6.2.2-1计算柱端承载力时，计算所得的η_c-cal普遍较现有规范的取值（1.3）大，但由于有最小配筋率等抗震构造措施，使得抗震规范η_c偏小取值被掩盖。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究的背景和意义  10-11
  1.2 简介各国规范对能力级差系数的规定  11-12
    1.2.1 美国规范  11
    1.2.2 欧洲规范  11
    1.2.3 新西兰规范  11-12
    1.2.4 中国规范  12
  1.3 A.J.Kappos 抗震设计方法  12-13
  1.4 存在的问题  13
  1.5 国内外研究概述  13-15
  1.6 双向地震作用下结构反应研究现状  15-16
  1.7 本文研究目的  16
  1.8 本文研究内容  16-18
2 非线性动力反应分析准备  18-28
  2.1 OPENSEES 程序概述  18
  2.2 本文所采用的单元力学模型简介  18
  2.3 纤维模型简介以及在 OpenSees 中的实现  18-19
  2.4 材料的本构关系  19-22
    2.4.1 混凝土的本构  19-20
    2.4.2 钢筋的本构模型  20-22
  2.5 地面运动记录的选取及输入  22-28
    2.5.1 双向输入地震动记录的选取方法  22-23
    2.5.2 本文地面运动记录来源及选波控制条件  23
    2.5.3 地面运动记录其它参数的确定  23-28
3 空间框架设计及模型建立  28-34
  3.1 结构方案与概况  28-30
  3.2 内力组合及内力调整  30
  3.3 梁柱的配筋说明  30
  3.4 非线性分析模型的建立  30-32
    3.4.1 材料强度及弹性模量  30-31
    3.4.2 钢筋本构模型中的其它参数  31-32
    3.4.3 施加在结构上的荷载和质量  32
    3.4.4 阻尼系数取值  32
  3.5 结构双向地震动的输入  32
  3.6 梁柱屈服的判断根据  32-34
4 双向偏压计算方法研究及分析程序  34-50
  4.1 双向偏心情况简介  34-35
  4.2 倪克勤公式简介及应用  35-37
    4.2.1 倪克勤公式简介  35-36
    4.2.2 倪克勤公式的应用  36-37
  4.3 基于极限状态的双向偏压计算方法  37-40
  4.4 基于极限状态的有限元方法论证  40-42
  4.5 基于截面不屈服的双向偏压计算方法简介及其论证  42-45
  4.6 倪克勤公式与双向偏压计算方法对比  45-46
  4.7 双向偏压程序的迭代控制  46-47
  4.8 如何快速搜索最不利数内力组合  47-50
5 本文研究方法详介及论证  50-56
  5.1 研究步骤  50-52
  5.2 快速得到梁端地震组合弯矩设计值  52
  5.3 研究方案的可行性验证  52-56
6 框架非线性反应结果  56-78
  6.1 框架结构统计内容说明  56
  6.2 基于梁端设计组合值的 η_(c-cal)结果  56-69
  6.3 柱端弯矩增大系数建议取值  69-72
  6.4 基于梁端实配抗震抗弯承载力的 η_(cua cal)结果  72-78
7 柱端弯矩增大系数的取值验证  78-88
  7.1 七度 0.1g 区空间框架 KJ-C 的设计  78
  7.2 非线性反应结果  78-83
  7.3 底层柱下端增大系数建议  83-88
    7.3.1 空间框架 KJ-D 设计及地面运动选取  83-84
    7.3.2 非线性反应结果及评价  84-85
    7.3.3 底层柱下端增大系数建议值  85-88
8 结论与展望  88-90
  8.1 本文的主要研究内容和结论  88
  8.2 后续工作展望  88-90
致谢  90-92
参考文献  92-96
附录  96-98

基于柱端不屈服的空间框架柱端弯矩增大系数取值研究

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