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《华侨大学》 2007年
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剪力墙中断的高层框—剪结构抗震性能分析与工程应用

方德平  
【摘要】: 在高层建筑实际设计中,经常遇到这种情况,在结构上部,由于建筑功能的要求或其他原因,要减少剪力墙的尺寸,甚至完全取消。这种断层剪力墙的高层框架-剪力墙结构(简称框-剪结构)是一种新型的高层结构,其特点是采用断层剪力墙来满足现代高层建筑使用功能的要求。剪力墙的变形曲线为悬臂梁型,而框架的变形曲线为剪切型。下部的剪力墙可减少下部框架的内力;而上部的剪力墙则增加上部框架的内力。中断上部剪力墙,减轻上部框架的内力,有其合理性。所以,从力学上来讲,全高剪力墙并不一定是必要的。针对框-剪结构协同工作的受力变形特点,先探讨了框-剪结构中中断部分剪力墙的合理性,提出了可中断剪力墙高度的3个条件: ①剪力墙中断的框-剪结构的顶点侧移不应大于全高剪力墙框-剪结构的顶点侧移; ②剪力墙中断以上框架部分的层间位移角不应大于1.45倍全高剪力墙时的最大层间位移角,因为建筑抗震设计规范(GB50011-2001)规定:框架弹性层间位移角[θe] =1/550,而框-剪的[θe] =1/800,两者比值为1.45; ③剪力墙中断以上的框架部分所承受的楼层地震剪力Vt不应大于全高剪力墙时框架部分所承受最大楼层地震剪力V fmax的n倍,n为剪力墙中断以上部分的框架柱数与全高剪力墙时框架柱数的比值。构造了简明的层单元,一层框-剪结构可只用一个层单元来模拟。应用两种模型:层单元模型、杆系-层模型,采用振型分解反应谱法,分析不同高度和结构刚度特征值的断层剪力墙框-剪结构的地震反应,两种模型给出相近的计算结果。根据可中断剪力墙的高度的3个条件,计算表明:随着刚度特征值的增加,可中断剪力墙的高度随之增加,给出了两者之间的表达式;结构高度对中断剪力墙高度的影响较小。 基于钢筋砼杆件截面的轴力-弯矩-曲率关系,建立了考虑杆件P ??效应和剪切变形,且能分析框架极限状态的非线性有限元法。提出了改进能力谱法,定义了砼框架结构唯一的延性系数,确定Pushover曲线的极限状态点为性能点,通过性能点位于由延性系数所折减的非弹性需求谱曲线上的条件,求出框架所能抵抗的最大地震加速度,评估框架的抗震性能。兼顾承载能力,得出相对受压区高度0.25~0.35,轴压比0.6~0.8的框架,具有较好的抗震性能。 根据所提出的非线性有限元法,将剪力墙当作特别杆单元,对不同高度、配筋、轴压比和刚度特征值的中断剪力墙的框-剪结构进行了极限状态弹塑性分析。根据可中断剪力墙的高度的3个条件,计算表明:相对高度值与配筋和轴压比无关;与结构高度关系较小;随着刚度特征值的增加,相对高度值随之增加,并给出了两者之间的表达式。 Wilson-θ法分为加速度未经过和经过动力平衡方程修正的Wilson -θ①法和Wilson -θ②法;推导了单自由度体系的Wilson -θ①、②法的状态传递算子,由传递算子的谱半径来判断Wilson -θ①、②法的稳定性。Wilson -θ①法的稳定性是无条件的。计算结果表明:Wilson -θ②法的稳定性不是无条件的;并给出了Wilson -θ②法的稳定范围。修正了一些文献中的一个错误:认为Wilson -θ①、②法都是无条件稳定的。 用杆系-层模型和Wilson -θ①法,以及EL Centro地震记录,分析不同高度和结构刚度特征值的断层剪力墙的框-剪结构地震反应。根据可中断剪力墙的高度的3个条件,计算表明:随着刚度特征值的增加,可中断剪力墙的高度随之增加,给出了两者之间的表达式;结构高度对中断剪力墙高度的影响较小。动力时程分析的结果与层单元模型、杆系-层模型和极限状态弹塑性分析结果相近。
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