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框架—剪力墙结构考虑P-△效应的设计方法研究

秦华平  
【摘要】:框架-剪力墙作为高层建筑广泛采用的一种结构形式,在设计时如何考虑其二阶效应,特别是P-Δ效应的影响,是结构设计中的一个重要问题。近年来,各国学者对此类结构中二阶效应影响规律和设计方法的研究虽取得了一定的进展,但由于二阶效应问题的复杂性,面向工程设计界的各种方法,尤其是可直接应用于实际工程设计的简化计算方法仍然有限且有待进一步验证。因此,在理解了材料非线性、几何非线性,以及二阶效应对框架-剪力墙结构内力和变形影响规律的基础上,提出合理正确的计算方法,对于工程应用和工程设计具有重要的指导意义。本文基于《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》对框架-剪力墙结构的设计规定,在对框架倾覆力矩占比不同情况下的框架-剪力墙结构进行考虑二阶效应的变形与受力特征分析的基础上,经对比分析提出了现行规范中的“整体增大系数法”在计算此类结构P-Δ效应时存在的问题,并给出了改进方法建议。论文在研究过程中所做的工作和取得的主要成果有:(1)通过对框架-剪力墙结构侧向变形组成成分的筛分,从定量角度明确了框架-剪力墙结构随着其中框架部分倾覆力矩占比的增大,结构变形从以弯曲变形为主逐渐过渡到以剪切变形为主。(2)在比较了有限元法(弹性二阶分析方法)与迭代法计算结构P-Δ效应精度问题的基础上,确定以迭代法作为分析比较框架-剪力墙结构二阶效应的精确算法。(3)通过对所设计的系列算例比较分析发现,随着框架-剪力墙结构中框架倾覆力矩占比的增大,结构在水平荷载作用下的剪切变形分量增加,结构的整体变形特征发生变化,现行规范所提的考虑结构P-Δ效应的整体增大系数法已不能全面适用。(4)经归纳总结,提出了计算框架-剪力墙结构P-Δ效应的建议方法:对于正常使用极限状态下的结构变形验算,因其材料非线性特征不明显,在计算位移增大系数时不对其构件刚度进行折减;对于承载能力极限状态下的结构分析,由于此时材料非线性发展对内力变化的影响已不容忽视,应考虑构件刚度按规范规定予以折减;对框架倾覆力矩占比小于等于50%的框架-剪力墙结构,其位移增大系数与内力增大系数的计算仍使用《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》给出的整体增大系数法;对框架倾覆力矩占比大于50%而小于80%的框架-剪力墙结构,建议使用构件刚度不予折减的弹性二阶分析方法计算其位移,使用构件刚度折减的弹性二阶分析方法计算其二阶内力;对框架倾覆力矩占比大于等于80%的框架-剪力墙结构,推荐采用弹性二阶分析方法考虑其P-Δ效应。若采用简化计算方法,则其结构整体位移增大系数和框架部分的内力增大系数可按《混凝土结构设计规范GB50010-2010》给出的“层增大系数法”计算,剪力墙部分的内力增大系数仍可使用整体增大系数法。(5)基于OpenSees对框架倾覆力矩占比80%的框架-剪力墙结构进行了全过程的非线性分析,论证了本文所提建议方法的可行性。


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