支撑布置方式对掉层钢框架结构抗震倒塌性能影响分析

摘要

掉层结构因其可更好的顺应山势并且减少填挖方在山地建筑中被广泛应用，随着国家对建筑钢结构的推广，越来越多的钢结构建筑应用在工程之中，同时已有学者开始关注掉层钢框架结构的研究。但已有对掉层结构以及钢结构在抗震性能、抗震设计、抗震措施和抗倒塌能力等方面的研究成果对掉层钢框架结构的适用性还有待商榷。本文参考普通框架结构通过增设支撑可有效提高结构抗震性能的思想，提出“支撑—掉层钢框架结构”的概念，并对不同支撑布置方式的支撑—掉层钢框架结构的抗震倒塌性能进行定性研究。　　本文通过采用增量动力分析法，对不同掉层数的掉层钢框架结构以及不同支撑布置方式的支撑—掉层钢框架结构的抗震倒塌性能进行分析。考察了各算例单一地震动作用下的IDA曲线及地震易损性曲线的变化规律，并总结了各算例在所选定地震动强度下达到不同倒塌极限状态的概率；同时分析了各算例倒塌模式并统计了倒塌模式概率。主要研究工作及成果包括：　　①采用PKPM软件设计了4个原型结构，通过SAP2000建立对应的空间模型，并设计支撑布置方案建立了4个支撑—掉层钢框架结构模型，介绍了IDA分析方法、本文采用的倒塌判定标准与抗震倒塌能力分析指标。　　②通过对比单一地震动下的IDA曲线可得，普通钢框架结构与掉层钢框架结构IDA曲线初始阶段IM与DM接近线性变化，但之后掉层钢框架结构的掉层侧与上接地侧IDA曲线出现明显的“分叉”现象，掉层层数越多“分叉”现象越早且越明显。　　③对比8个算例的IDA分位曲线及易损性曲线，结果表明掉层钢框架结构随着掉层层数的增加，掉层侧抗倒塌能力逐渐提高，上接地侧抗侧倒塌能力逐渐降低，同时支撑的布置可有效提高支撑—掉层钢框架结构掉层侧以及上接地侧的抗倒塌能力，基本上随着支撑布置层数的增加结构的抗倒塌能力逐渐增加。　　④分析了各算例的倒塌概率矩阵DPM及倒塌储备系数CMR，得出在各水准地震动作用下，掉层钢框架掉层侧的破坏概率始终小于普通钢框架，且随着掉层数增加而减小；上接地侧的破坏概率始终大于普通钢框架，且随着掉层数的增加而逐渐增大；掉层钢框架设置支撑可有效提高结构抗震倒塌能力，减小地震倒塌概率，但支撑—掉层钢框架模型掉层侧倒塌概率并不随着支撑布置层数的增加而持续降低。　　⑤通过对各算例倒塌模式及倒塌概率的分析，发现普通钢框架结构的倒塌薄弱层出现在结构的第二层；以掉层侧倒塌极限状态为判定标准时掉层钢框架结构的倒塌薄弱层为掉层侧上部结构二层，以上接地侧倒塌极限状态为判定标准时结构上接地一层为薄弱层；支撑的布置对倒塌薄弱层的影响较小。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究进展

1.2.1 掉层结构研究现状

1.2.2 钢框架结构倒塌研究现状

1.2.3 钢框架结构支撑的研究现状

1.3 研究目的

1.4 研究主要内容

2 结构模型设计与建立

2.1.1 结构设计

2.1.2 合理性分析

2.2.1 软件介绍

2.2.2 材料特性

2.2.3 荷载及边界条件

2.2.4 结构阻尼

2.2.5 模态分析

2.3 倒塌分析程序验证

2.3.1 钢框架结构拟静力试验

2.3.2 模拟结果

2.4 支撑—掉层钢框架模型设计

2.4.1 钢支撑形式选择

2.4.2 钢支撑布置方案

2.5 算例设计

2.6 本章小结

3 基于IDA分析方法的结构抗震倒塌能力评估

3.1 增量动力分析法

3.1.1 地震动选取

3.1.2 地震动方向

3.1.3 地震动调整

3.1.4 指标选取

3.1.5 计算法则选取

3.2 钢框架结构的极限状态

3.2.1 钢框架结构倒塌判断标准

3.2.2 钢框架结构性能水准

3.3 钢框架结构抗倒塌能力

3.3.1 地震易损性分析

3.3.2 结构倒塌破坏概率矩阵

3.3.3 结构倒塌储备系数

3.4 本章小结

4 基于IDA方法的结构抗震倒塌能力分析

4.1 普通钢框架结构和掉层钢框架结构模型对比分析

4.1.1 单一地震动作用下的 IDA曲线

4.1.2 IDA分位曲线

4.1.3 地震倒塌易损性曲线

4.1.4 破坏概率矩阵

4.1.5 倒塌储备系数

4.2.1 单一地震动 IDA曲线

4.2.2 IDA分位曲线

4.2.3 地震倒塌易损性曲线

4.2.4 破坏概率矩阵

4.2.5 倒塌储备系数

4.3 支撑—掉层钢框架模型地震易损性分析

4.4 本章小结

5 结构倒塌模式分析

5.1 掉层钢框架倒塌模式

5.1.1 峰值层间位移角

5.1.2 掉层结构倒塌模式概率

5.2 支撑—掉层钢框架倒塌模式

5.2.1 峰值层间位移角

5.2.2 支撑—掉层钢框架结构倒塌模式概率

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 原型结构构件布置图

B. 调幅前的时程曲线

C. 各模型 IDA曲线簇

D. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

E. 作者在攻读学位期间所获奖励

F. 学位论文数据集

致谢