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支撑框架与竖缝剪力墙抗震设计研究

米旭峰  
【摘要】: 钢支撑框架以及钢框架带竖缝剪力墙结构是抗震区常用的抗侧力体系。但在抗震规范GB50011与高层民用建筑钢结构技术规程JGJ 99-98中对与钢支撑采用了放大地震内力的方法设计,这与欧美日各国都不同。而在竖缝剪力墙的设计中,由于没有提出相应的梁与墙体连接方式,竖向荷载不可避免地传至墙体中,这违背了竖缝剪力墙设计原则;规程JGJ 99-98提供的计算模型也不能反映在承受水平荷载时,钢梁端部承受很大的剪力。本文分别分析了支撑设计方法对于框架抗震性能的影响,提出合理的设计建议;分析梁端集中剪力和现有梁与墙体连接方式对钢框架竖缝剪力墙结构的影响,以期得出合理的计算模型与构造方式。 钢结构支撑设计分人为放大支撑内力设计的强剪型支撑架和不放大内力设计的弱剪型支撑架,本文首先设计了单层单跨、多层单跨以及多层多跨的强剪型和弱剪型中心支撑框架,对结构输入多条地震波进行了非线性弹塑性时程分析,结果表明:(1)强剪型支撑架,不仅增大了地震力,且柱先于支撑屈服发生无侧移失稳,导致竖向位移不断累计增加,并因刚体转动而伴随水平位移;而弱剪型支撑框架在地震下发生有侧移变形。(2)强剪型支撑架的层间剪力一位移时程响应曲线和支撑的应力应变响应曲线、柱子应力应变响应曲线封闭面积较小,表明结构即使具有耗能能力,也难以发挥作用。并且耗能只是依靠柱的无侧移屈曲,对抗震结构比较危险,而且是一种单一的抗侧力体系;(3)弱剪型支撑框架中,支撑能够更早发生屈服,然后支撑和框架继续发生侧移变形,组成支撑架一部分的框架能够起到第二道防线的作用,支撑和梁柱的延性及耗能能力能够充分发挥作用。根据上述分析结果,认为不宜人为放大支撑内力,并增加支撑先于柱子屈服的机构验算,保证最薄弱层支撑屈服后属于支撑架一部分的柱子仍基本在弹性阶段工作。 本文还对钢框架内嵌竖缝剪力墙的设计方法进行了考察,提出了若干补充计算和构造措施以实现竖缝剪力墙的设计思想。这些补充包括:(1)梁柱连接和梁腹板,应补充进行受剪强度计算;(2)当受剪强度不满足要求时建议增加竖缝剪力墙和钢框架柱的抗剪件连接,这种构造同时方便了安装;(3)建议竖缝剪力墙和钢框架梁采用开竖向槽孔的高强度螺栓摩擦型连接,以实现竖缝剪力墙不承受竖向荷载,只承受水平力的设计思路;(4)增加对钢框架梁腹板受到竖缝剪力墙膨胀力挤压发生屈曲的设计验算:(5)对连接钢框架梁和竖缝剪力墙的预埋件给出了设计公式;(6)建议参考钢筋混凝土设计规范(GB50010-2002)对竖缝剪力墙受剪承载力进行设计。 对JGJ99-98中竖缝剪力墙的等效交叉支撑和等效剪切板模型进行分析,指出了在确定等效构件时考虑钢框架梁剪切变形的必要性,同时指出两种模型均不能正确地给出钢框架梁的剪力,也不能反映钢框架梁弯曲变形对整体刚度的影响。因此提出壁式框架的计算模型,对各部分的刚度给出了计算建议,对模拟竖缝剪力墙肢的壁柱,通过对轴压刚度取小值以实现竖缝剪力墙不承担竖向荷载的设计要求。对壁式框架模型和两种等效模型进行比较表明,在层数少,剪切变形占主导地位时,壁式框架模型的刚度略小,层数增加,三种模型结果相似。但壁式框架模型能够提供钢框架梁内的真实剪力,并反映钢框架梁变形对抗侧刚度的影响。分析了柱与竖缝墙增加抗剪键后钢框架竖缝剪力墙结构的力学性能,计算其抗侧刚度与模型结果进行对比,得出采用抗剪键能在满足设计原则的同时,改善钢梁与剪力墙的受力性能。 最后考虑混凝土的非线性,对钢框架竖缝剪力墙进行分析,得出竖缝剪力墙在整个加载过程中,墙体出现多为细小裂缝,剪力墙的变形以弯曲变形为主,变形方式类似于壁柱,墙体的抗侧刚度下降缓慢,利于与框架的共同工作,适合在抗震区结构中使用。


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1 米旭峰;支撑框架与竖缝剪力墙抗震设计研究[D];浙江大学;2007年
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