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学校代号10532学号S1201W164分类号TU391密级公开工程硕士学位论文装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析学位申请人姓名张文献培养单位土木工程学院导师姓名及职称舒兴平教授周一平高级工程师学科专业建筑与土木工程研究方向钢结构基本理论及应用论文提交日期2015年6月2日 学校代号：10532学号：S1201W164密级：公开湖南大学工程硕士学位论文装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析学位申请人姓名：张文献导师姓名及职称：舒兴平教授周一平高级工程师培养单位：土木工程学院专业名称：建筑与土木工程论文提交日期：2015年6月2日论文答辩日期：2015年6月5日答辩委员会主席：沈蒲生教授 PushoveranalysisofprefabricatedsteelframestructurewithinclinedsupportjointsbyZHANGWenxianB.E.(HunanUniversity)2012AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinArchitecturalandCivilEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorSHUXingpingSeniorEngineerZHOUYipingJune,2015 湖南大学学位论文原创性声明、ｉＵ．ｉｊ本人郑巧：独乐进行研％所化糾的ｊｊ所文的论义巧本人化甘师的巧甘Ｉ：。隙Ｔ义中巧别加切柄，水论克小包巧巧何化化个人或研究成巧化引用的内蒋外：＇ｆ的成果作姐体Ｌｉ给化衣或撰ＪｉＷｉ。对木义的研究做出弔嬰兵献的个／ｖ脚集体，均化义小Ｗ确义式标Ｗ。本人克伞想识到本声Ｗ的化ｆ！Ｕｉ７果山木人承ｔｕ。：□化：之。巧ｂｊｊ－１化巧锭名杀之禹扛！年７１学位论文版权使用授权书木学化论义作巧亢命ｒ解学化＂关保衍、化Ｗ学化论义的规化，问总学校化１；巧化向１１讓侣关部ｎ或机构送交论义的１１印化和电丫版，允许论文被巧閲脚化關．本人授仪湖南乂学ＷＵ将本学仿论文的争部或部分内转編入知乂数化阵进ｈ怡ＩＬ柴，Ｕ采川跋印、缩印或巧描等狂制乎段保佑和ｒ编本巧化论文。木学化论文帖于］、钻：密□，化年解齊抗适Ｗ本巧权书。２、不供密［ｓｉ。＂诉化Ｗ＂ｈ．相应方桐內打Ｖ（）：＂蝴：Ｉ作者籍名谦文颜Ｃ加長年右Ｕ７ＩＩＩ规：２口年ｂＵ１巧帅签名１５７１ 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析摘要装配式钢结构的工厂化生产方式简化了现场施工程序，施工周期短，污染小，推广这种结构体系符合我国绿色环保的政策理念。作为一种新型的装配式钢结构体系，装配式斜支撑节点钢框架结构不仅成功实现了从多层向高层建筑领域的发展，而且其工厂模块化生产方式充分发挥了装配式钢结构的优势，施工周期被大大缩短。为了更好的推广这种新型的结构体系，有必要对其抗震性能进行深入研究。本文以某30层装配式斜支撑节点钢框架为研究对象，运用Pushover分析方法对其进行罕遇地震下的弹塑性分析，分析了该结构在地震作用下的反应，探讨了斜支撑在地震作用下对该结构抗震性能的影响。具体如下：(1)介绍了装配式斜支撑节点钢框架体系的研究现状，阐述抗震设计理论的发展进程及基于性能的抗震设计理论，简要介绍Pushover分析的国内外研究历史与现状，还介绍了Pushover分析方法在我国实际工程中的应用实例。(2)介绍了Pushover分析的基本原理，包括两个基本假定、等效单自由度体系的建立及水平侧力加载模式，简要介绍能力谱方法基本思想，分析了Pushover方法的优点。(3)通过对某30层装配式斜支撑节点钢框架进行模态分析、反应谱分析和Pushover分析，研究该结构的自振特性，探讨了该结构地震作用下的变形规律，并分析了塑性铰分布和发展规律，结果表明，在7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架最大层间位移角为1/223，小于规范限制1/50，满足大震不倒的抗震设防目标，塑性铰大部分出现在桁架梁腹杆处，框架柱处于弹性状态，满足强柱弱梁的抗震设计要求，说明该结构具备良好的抗震性能。(4)为研究斜支撑对装配式斜支撑节点钢框架抗震性能的影响，选取无斜撑钢框架进行Pushover分析，并与装配式斜支撑节点钢框架分析结果进行对比，得出斜支撑的布置减小了该结构在地震作用下的变形，其中结构顶点位移减小33.4%~38.1%，结构最大层间位移角减小19.3%~43.1%。关键词：装配式钢框架；Pushover分析；斜支撑II 工程硕士学位论文AbstractPrefabricatedsteelstructurefactoryproductionmethodsimplifiesthesceneconstructionprocedures,shortconstructionperiodandlowpollution.Promotethisstructuresystemmeetthepolicyofgreenenvironmentprotectioninourcountry.Asanewtypeofprefabricatedsteelstructure,prefabricatedsteelframestructurewithinclinedsupportnotonlysuccessfulimplementationtheprogressfrommulti-layersteelframeworkstructuretothefieldofhighbuildings,butalsogivefullplaytotheadvantagesofprefabricatedsteelstructurewithitsstyleofmodularfactoryproduction,atthesametime,constructionperiodisgreatlyreduced.Inordertopromotethisnewtypeofstructuresystembetter,itisnecessarytostudyitsseismicperformance.Fabricatedinthisthesis,a30layerprefabricatedsteelframestructurewithinclinedsupportjointsastheresearchobject,usingthePushoveranalysismethodtoelastic-plasticanalysis,analyzedtheseismicperformanceofstructure,discussestheinclinedsupportforstructuredeformation.Thespecificcontentisasfollows:(1)Introducedtheresearchstatusofprefabricatedsteelframewithinclinedsupportjointssystem,thisthesisintroducesthedevelopmentprocessofseismicdesigntheoryandperformance-basedseismicdesigntheory.BrieflydescribesthehistoryandpresentresearchsituationofPushoveranalysis.DescribedsomeengineeringcasesofPushoveranalysisinourcountry.(2)Pushoveranalysisisintroducedintheequivalentsingledegreeoffreedomsystem、thelevelofbasicassumptionsandlateralforceloadingpattern,brieflyintroducetheprincipleofcapacityspectrummethodandsteps,analyzestheadvantagesofPushovermethod.(3)Modalanalysis,vibrationmodedecompositionresponsespectrumanalysisandPushoveranalysiswascarriedoutona30layerfabricatedsteelframewithinclinedsupportjoints,studythestructuraldeformationundersevereearthquake,analysisthedevelopmentofplastichinges,theresultsshowthat,underrareearthquakeof7degrees,themaximumstorydriftofthestructureis1/223,whichlessthanspecificationlimits,thestructuremeettheseismicfortificationgoal.Hingesofthestructuremostlyoccurinwebsofthetrussbeamandframecolumnkeepinelasticstage,whichmeetingtheseismicdesignrequirementsofweakbeam.IndicatingthatIII 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析thestructurehasgoodseismicperformance.(4)Inordertostudytheinfluenceoftheinclinedsupportonseismicperformanceofstructure,selectionmodelwithoutinclinedsupport,andcomparestheresultswithmodelwithinclinedsupport,itisconcludedthatthearrangementofinclinedsupportreducesthedeformationofthestructureundersevereearthquake,thetopdisplacementofstructuredecreases33.4%~38.1%,themaximumstorydriftratiosofstructuredecreases19.3%~40.1%.KeyWords:Prefabricatedsteelframe;PushoverAnalysis;inclinedsupportIV 工程硕士学位论文目录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书··················································I摘要·······················································································································IIAbstract················································································································III插图索引·············································································································VII附表索引··············································································································IX第1章绪论·········································································································11.1引言········································································································11.2装配式斜支撑节点钢框架结构简介及研究现状·····································21.2.1装配式斜支撑节点钢框架结构简介·················································21.2.2装配式斜支撑节点钢框架结构研究现状·········································31.3基于性能的抗震分析方法······································································41.3.1结构抗震分析理论的发展过程························································41.3.2基于性能的抗震分析理论阶段························································51.4Pushover分析的研究历史与现状···························································61.4.1国外Pushover分析方法的研究历史与现状·····································61.4.2国内Pushover分析方法的研究历史与现状·····································61.5选题意义及本文的主要工作···································································81.5.1选题意义··························································································81.5.2本文的主要工作···············································································9第2章Pushover分析的基本理论·····································································102.1Pushover方法的基本原理····································································102.1.1Pushover方法的基本假定······························································102.1.2等效单自由度体系·········································································102.1.3水平侧力加载模式·········································································112.2能力谱方法···························································································132.2.1建立能力谱与需求谱·····································································142.2.2与中国规范相关的参数转换··························································142.3Pushover分析的优点············································································152.4本章小结······························································································16第3章某装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析··········································173.1工程概况······························································································17V 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析3.2分析模型······························································································213.3模态分析······························································································233.4反应谱分析···························································································253.4.1层剪力及剪重比·············································································253.4.2层位移及层间位移角·····································································283.5Pushover分析·······················································································303.5.1Pushover分析在SAP2000中的实现··············································303.5.2Pushover分析结果·········································································323.6本章小节······························································································41第4章斜支撑对结构抗震性能的影响······························································424.1分析目的与意义···················································································424.2无斜撑钢框架与装配式斜支撑节点钢框架分析结果对比····················424.2.1基底剪力-顶点位移曲线和性能点对比··········································424.2.2层间位移角对比·············································································464.2.3塑性铰分布规律对比·····································································484.3本章小结······························································································51结论······················································································································52参考文献··············································································································54致谢······················································································································57附录A(攻读学位期间发表的学术论文目录)························································58VI 工程硕士学位论文插图索引图1.1某装配式斜支撑节点钢框架整体效果图···················································2图1.2装配式斜支撑节点钢框架子结构组成图···················································3图2.1A-D坐标系下能力谱曲线和需求谱曲线·················································13图2.2能力谱分析方法分析流程·······································································13图2.3ATC-40规定的反应谱·············································································15图2.4中国规范反应谱······················································································15图3.1装配式斜支撑节点钢框架结构现场安装图·············································17图3.2结构平面布置图······················································································18图3.3结构斜支撑布置图··················································································18图3.4模块整体出厂图······················································································19图3.5结构竖向布置图······················································································19图3.6结构主板布置图······················································································20图3.7主板结构构造图······················································································20图3.8装配式斜支撑节点钢框架计算模型························································21图3.9前三阶模态结构变形图(SAP2000)··························································24图3.10多遇地震作用下层剪力···········································································26图3.11调整后多遇地震作用下楼层剪力····························································27图3.12多遇地震下层位移曲线···········································································28图3.13多遇地震下层间位移角曲线···································································29图3.14塑性铰广义力-广义位移曲线··································································30图3.15塑性铰定义楼层······················································································31图3.16基底剪力-顶点位移曲线··········································································32图3.17静力弹塑性分析能力谱-需求谱······························································35图3.18罕遇地震下结构层间位移角···································································36图3.19工况1塑性铰发展··················································································36图3.20工况2塑性铰发展··················································································37图3.21工况3塑性铰发展··················································································37图3.22工况4塑性铰发展··················································································38图3.23结构第一个塑性铰产生位置···································································39图3.24结构典型楼层塑性铰分布和发展····························································41图4.1无斜撑钢框架计算模型···········································································42VII 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析图4.2基底剪力-顶点位移曲线对比··································································44图4.3无斜撑钢框架静力弹塑性分析需求谱-能力谱········································46图4.4罕遇地震下结构层间位移角对比····························································47图4.5无斜撑钢框架第一个塑性铰产生位置····················································49图4.6无斜撑钢框架典型楼层塑性铰分布和发展·············································51VIII 工程硕士学位论文附表索引表3.1计算模型荷载取值··················································································21表3.2钢材主要材性指标··················································································21表3.3构件截面表·····························································································22表3.4结构自振周期··························································································23表3.5结构振型质量参与系数···········································································25表3.6结构模型总重力对比···············································································25表3.7多遇地震作用下结构剪重比···································································26表3.8调整后多遇地震作用下结构剪重比························································27表3.9静力弹塑性分析加载模式选取································································32表3.10罕遇地震下性能点表格···········································································35表4.1无斜撑钢框架性能点表格·······································································46表4.2最大层间位移角对比···············································································46IX 工程硕士学位论文第1章绪论1.1引言我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带上，地震灾害频发，而改革开放以来，我国现代化进程加快，人们的生活水平提高，对建筑物在地震作用下的各种功能性要求也不断提高。由于地震的不可预测性，只有从具体的建筑结构出发，深入研究和了解不同结构类型的抗震性能，才能以更经济的方式改善结构抗震性能，才能更好的保护人民的生命财产安全。近现代抗震设计理论经历了一个世纪的发展，随着人们对地震理论和结构动力特性的研究加深，结构抗震设计理论经历了从静力阶段到动力阶段、线性分析到分线性分析的过程。基于性能的抗震设计是根据建筑结构的重要性或业主需要确定结构在地震作用下的性能目标，使所设计的工程结构在可能遇到的地震作用[1]下的反应和损伤状态的满足各种预期的目标要求。自20世纪90年代以来，人们对结构抗震的要求不再仅仅是保障生命财产安全，地震过后建筑结构的维修费用也成为人们考虑的问题之一，因此基于性能的抗震设计理论越来越被人们重视，基于性能的抗震设计理论体系不断完善，设计方法趋向实用化。Pushover分析方法作为抗震性能化分析的一项重要方法，可以分析结构的变形规律及破坏模式，评价结构在地震作用下的抗震性能。改革开放以来，钢结构体系已在我国的房屋建筑中得到了快速、广泛的推广应用，综合看来我国钢结构的发展主要集中于工业建筑、公共大跨建筑和混合高层建筑，在钢结构产业方面同发达国家相比，我国的钢结构住宅产业还有很大的[2]发展空间。钢结构住宅不仅有工期短、自重轻、抗震性能好等优点，而且也符合我国可持续发展的绿色、环保、可回收等要求。装配式斜支撑节点钢框架是一种新型的高层钢结构住宅体系，各部分构件通过工厂标准化生产而成，现场组装施工即可完成。作为一种新型的装配式钢结构体系，装配式斜支撑节点钢框架结构不仅成功实现了从多层向高层建筑领域的发展，而且其工厂模块化生产方式充分发挥了装配式钢结构的优势，施工周期被大[3]大缩短。本文以某30层装配式斜支撑节点钢框架为主要研究对象，分析该结构体系的抗震性能，研究斜支撑对结构抗震性能的影响，为指导装配式斜支撑节点钢框架结构体系的设计和抗震性能分析提供参考依据，并为Pushover方法在实际工程中的应用提供参考。-1- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析1.2装配式斜支撑节点钢框架结构简介及研究现状1.2.1装配式斜支撑节点钢框架结构简介与钢筋混凝土等传统结构相比，装配式钢结构具有自重轻、施工周期短、劳[3]动强度低、产业化程度高等优势，属绿色环保型建筑。本文工程实例采用了一种新型的模块化装配式斜支撑节点钢框架结构体系，实现了装配式钢结构在高层领域的应用，该结构整体效果如图1.1所示。结构主体由主板、立柱和斜支撑组成，如图1.2所示。其柱子采用轧制方钢管，梁采用桁架梁，梁柱节点区周围布置斜支撑，楼板采用混凝土压型钢板组合楼板。该体系充分体现了装配式钢结构的优势，其工厂化程度达到90%以上，建设方仅用了2个月时间就完成了主体结构和墙体的安装施工，工地现场施工周期缩短90%，显著提高了工作效率，该体系为未来高层建筑的建造提供了一个清晰又创新的方法。图1.1某装配式斜支撑节点钢框架整体效果图2 工程硕士学位论文斜支撑主板吊盒柱座主板架立柱图1.2装配式斜支撑节点钢框架子结构组成图1.2.2装配式斜支撑节点钢框架结构研究现状倪真等利用有限元软件建立不同跨度、不同弦杆尺寸的钢桁架梁模型，对其进行非线性静力分析，对比不同参数分析的结果，研究桁架梁的极限承载力及变[4]形特性，获得了桁架梁的破坏机理。倪真等利用有限元软件对单榀两层单跨钢框架进行静力及拟静力分析，研究钢框架的耗能能力及延性性能，分析该框架的承载能力及破坏机理，研究表明装[5]配式钢框架具有良好的变形能力及耗能性能。张爱林等利用有限元软件对带斜撑和无斜撑的两种节点进行数值模拟，研究了斜撑对装配式钢框架梁柱节点滞回性能、极限承载力、延性系数、破坏模式等[6]抗震性能的影响。张爱林等对单榀单跨斜支撑钢框架进行静力试验及有限元模拟分析，研究其承载力性能、变形特性、破坏机理及延性性能，结果表明斜支撑将水平荷载传递到桁架梁的中部的耗能梁段，破坏位置发生在桁架梁中部腹杆，满足“强节点，弱[7]构件”、“强柱弱梁”的建筑结构设计要求。刘学春等利用有限元软件对模块化装配式钢框架中3种常见的焊接、栓接、栓焊混合连接节点进行非线性分析，得到3种节点的破坏机理、极限承载力及耗[8]能能力，并对3种典型装配式钢结构节点的设计提出建议。刘学春等对某装配式斜支撑钢框架进行了模态分析、P-Δ效应分析和整体稳定分析，获得了该结构的极限荷载和安全储备特点，获得该体系的破坏形态及机[9]理，为该结构体系的设计提供重要参考。张爱林等针对新型工业化装配式高层钢结构桁架梁腹杆计算长度取值问题，基于刚架弹性稳定理论以及相关研究成果建立的四弯矩方程，综合考虑桁架梁的上、下弦杆刚度和节点刚度对腹杆计算长度的影响，推导出杆件群的稳定方程以-3- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析[10]及腹杆计算长度系数的计算方程。刘学春等为了获得模块化装配式斜支撑节点钢框架结构体系的受力性能和设计方法，采用有限元分析方法，考虑结构整体对核心模块新型斜支撑柱的约束作用，在结构整体中研究斜支撑柱的承载能力，通过极限承载力反推得到了斜支撑柱的计算长度系数，解决了该结构体系设计的关键问题。研究结果表明：该结构体系侧向刚度较大，但延性较差，在水平和竖向荷载作用下极限承载力系数取2.0[11]较合理，承载力具有足够的安全储备。张再华等介绍了两种适用于多高层结构的新型装配式钢框架结构体系，一种是美国的ConxtechSpaceFrameSystem(简称Conxtech钢框架体系)，另一种是我国的空腹梁支撑钢框架结构体系。对两种结构体系的组成与技术特点进行了详细分析，并从梁柱连接、楼盖形式、装配工艺等方面对两种体系进行分析比较，指出Conxtech钢框架体系的技术成熟，但整体工业化程度不如空腹梁支撑钢框架[12]结构体系，两种体系均有优势，对同类型结构体系的开发研究具有参考价值。由以上研究成果可以发现，装配式斜支撑节点钢框架的研究主要集中于单榀框架等子结构模型，对于该结构体系的整体抗震性能还有待深入研究。为了适应经济市场发展的需求，加深对该结构体系在地震中响应的认识，研究该结构体系的抗震性能具有有重要的科学意义和经济价值。1.3基于性能的抗震分析方法自20世纪90年代以来，单一以生命安全为目标的抗震设计难以满足人们的对不同建筑结构的各种需求，在此背景下，美国和日本的学者提出了基于性能的抗震设计思想，基于性能的抗震设计思想就是根据建筑结构的重要性或业主要求确定其在地震中的性能目标，使所设计的工程结构在使用期间满足各种预期的目标要求。1.3.1结构抗震分析理论的发展过程建筑结构抗震设计理论的发展进程可以简单概括为以下几个阶段：静力理论[13]阶段、反应谱理论阶段、动力理论阶段及基于性能的抗震设计理论阶段。(1)静力理论阶段：假定建筑结构是刚性的，地震作用在质量中心，其大小等于建筑物重量乘以一个比例系数，结构上任意一点的加速度都等于地震动加速度。这种方法没有考虑结构的动力特性，在理论上是一种经过极大简化的方法，随着人们对地震动的研究加深，这种方法已很少被采用。(2)反应谱理论阶段：地震反应谱曲线反应了单自由度体系的弹性地震反应与基本自振周期的关系。反应谱理论是以弹性反应谱为基础，结合反应谱与振型分解法，结构总的内力由各振型的内力按照振型组合的方法计算得到，让求解多自4 工程硕士学位论文由度体系在地震作用下的反应变得简单化。由于反应谱理论正确而简单地反应了地震特性以及结构的动力特性，从而得到了广泛应用，20世纪50年代起，美国、前苏联和中国先后采用反应谱理论建立了抗震设计方法。(3)动力理论阶段：反应谱理论虽然考虑了振幅和频率两个要素，但只解决了大部分问题，地震持续时间影响、结构的弹塑性没有得到反映。采用动力理论可以全面考虑地震强度、频谱特性、地震持续时间等因素的影响。随着20世纪60年代电子计算机技术和试验技术的发展，动力理论得到了快速发展。动力法把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。建立结构非线性恢复力模型进行动力分析，可以得到结构非弹性阶段的反应，结构非线性恢复力模型的正确建立是该法的关键和重难点。地震动的选择需符合场地情况，因此合理选择地震记录也是需要考虑的重要问题。1.3.2基于性能的抗震分析理论阶段目前我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(以下简称《抗规》)对建筑[14]物的要求为“多遇地震不坏、设防地震可修和罕遇地震不倒”，设防的重要目标在于确保生命安全，但是没有考虑到减小地震破坏造成的巨大经济损失和对社会的影响。近年来发生在城市的地震震害经验表明，按照现行的以保障生命安全为基本目标的抗震设计理论所设计的建筑结构，在地震中虽然没有倒塌，保障了生命安全，但是造成了巨大的经济损失。20世纪90年代初期，随着经济水平的提高，人们对建筑物的抗震性能越来越重视，为了最大限度地满足业主和社会需求，美国科学家和工程好似提出了基于结构性能的抗震设计(performancebaseddesign)[13]理论的新概念。基于性能的抗震设计理论的很多思想其实在人们长期的抗震实践中得到了发展和应用，像美国的SEAOC(StructureEngineersAssociationofCalifornia加州土木工程师协会)、ATC(AppliedTechnologyCouncil应用技术委员会)、FEMA(FederalEmergencyManagementAgency联邦紧急事务管理局)等组织将研究成果汇编成册，并加以推广，使得人们对基于性能的抗震设计概念和使用方法逐步清晰。从某种意义上讲，我国规范提出的“三水准设防”已经包含了某种基于性能的结构设计思想，但是国内暂时还没有形成一套完整的基于性能的抗震设计方法体系，不过在《抗规》附录中，已经依据近年的研究成果增加了抗震性能化设计方[13,14]面的内容。-5- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析1.4Pushover分析的研究历史与现状Pushover分析方法作为一种简便的基于性能的抗震分析方法，得到了国内外的学者的广泛研究。1.4.1国外Pushover分析方法的研究历史与现状国外关于Pushover方法的研究起步早，并且早已将Pushover分析方法纳入抗震规范。Freeman在1975年提出了对结构进行静力弹塑性分析的能力谱方法(CapacitySpectrumMethod，CSM)，当时未能引起人们重视，直到90年代基于性能的抗震[15]设计理论被提出，才得到广大学者的关注和深入研究。Fajfar与Fischinger于第九届世界地震工程会议中提出了非线性地震反应分析的N2方法，并对该方法进行进一步的完善。N2方法中的N代表非线性分析(Nonlinear)，2代表两种计算模型：多自由度体系(MDOF)和单自由度体系(SDOF)。[16]N2方法是一种以弹塑性反应谱为基础的改进能力谱方法。美国应用技术协会发布ATC-40，建议采用能力谱方法(CSM)计算结构的非线[17]性地震反应。美国联邦紧急事务管理委员会(FEMA)发布了FEMA-273，该规范给出了几种不同的水平侧力模式，建议选取两种以上的水平侧力模式对结构进行[18]分析，并给出了目标位移的计算公式。Chopra、Goel提出了改进的能力谱方法，主要改进在求解目标位移时摒弃早期的弹性反应谱，选择弹塑性反应谱作为地震需求谱，结果表明改进方法的计算[19]精度较好。Gupta、Kunnath提出了自适应谱方法，该方法具有两大特点：1)加载特性由[20]反应谱直接定义；2)随着结构动力特性改变施加的侧向荷载。Mwafy、Elnashai采用8条地震记录对12幢不同的RC结构进行动力时程分析，将动力分析结果与静力Pushover分析结果进行对比，论证了Pushover方法的[21]精度。Chopra、Goel提出了模态Pushover分析(ModalPushoverAnalysis，MPA)方法，该方法通过组合高阶模态的计算结果，考虑了高阶振型对结构反应的影响，具有[22]实用价值。1.4.2国内Pushover分析方法的研究历史与现状国内关于Pushover方法的研究起步较晚，我国从21世纪初开始逐步研究Pushover分析方法，经过十余年不断地改进研究与工程实践应用，Pushover方法已被纳入我国规范。我国《抗规》提出，可采用简化的弹塑性静力分析方法(即[14]Pushover分析方法)计算罕遇地震下的弹塑性变形。6 工程硕士学位论文(1)在理论研究和改进方面，我国的研究历史与现状：钱稼如、罗文斌系统介绍了静力弹塑性分析的用途，指明了进一步研究该方法需要注意的问题，指出静力弹塑性分析具有比较成熟的理论和方法，表明该方[23]法是基于性能抗震设计的关键方法之一。叶燎原和潘文详细的论述静力弹塑性分析的原理和步骤，并采用算例进行了[24]静力弹塑性分析，对该方法的进一步研究提出了建议。杨溥分别提出了对水平荷载模式和结构目标位移的改进，对水平荷载模式采用基于结构瞬时振型、通过SRSS计算的、在加载过程中不断调整的侧力加载模式，对结构目标位移采用等效顶点位移的平均值加上一倍的标准差，并通过算例与动力时程分析方法计算结果进行了比较，认为改进的加载模式能较好地评估结[25]构地震反应。欧进萍、侯钢领提出了结构抗震分析的概率Pushover分析，并运用重要抽样[26]法论证了该方法的计算精度。叶献国在对非对称结构进行Pushover分析时，提出了循环往复的侧力加载模式，提出将一次循环加载过程近似看作是一次地震作用过程，并通过地震前后结[27]构周期的改变来建立结构损伤模型。孙景江系统地研究了静力弹塑性分析的水平荷载的加载模式，认为当前一些固定的水平荷载模式均不能很好地反映结构在地震动作用下的真实反应，提出一[28]种两阶段加载的改进措施，从而改进了结构静力弹塑性分析的侧力加载模式。汪梦甫、周锡元依据反应谱理论，对高层建筑结构提出了循环侧推的多振型静力弹塑性方法，探讨运用静动力弹塑性分析结果对结构进行抗震性能评估的基[29]本原则，并通过算例论证该方法的可靠性。吴小宾等通过对带楼梯钢筋混凝土框架结构的静力弹塑性分析，并与不计入楼梯的框架模型进行分析对比，研究了楼梯对框架结构弹塑性性能的影响以及带[30]楼梯框架结构的屈服机制。毛建猛将两阶段加载运用于模态Pushover分析方法中，通过将结构第一阶振型单自由度体系的Pushover双折线拐点作为分界点，分界点之前的位移形状向量采用结构的弹性自振振型，之后的位移形状向量采用分界点时刻结构的楼层位移形状向量，提出将结构的第一阶振型荷载模式改进为两阶段加载模式，高阶振型荷载模式保持固定不变，从而提出了模态Pushover分析的改进方法，结果表明，[31]改进的模态Pushover方法提高了计算精度。(2)在我国工程实际应用方面，Pushover分析已在不同的结构形式上得到应用，研究历史与现状如下：汪大绥等介绍了Pushover方法在ETABS程序上的实现步骤，以某框剪结构为例予以说明，表明Pushover方法是进行结构罕遇地震作用下弹塑性分析的有效-7- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析[32]方法。汪大绥等根据弹塑性性能等效和内力等效的原则，提出了一种采用“等效柱”[33]代替框剪结构中的剪力墙进行Pushover分析的方法。钱稼如等采用动力弹塑性分析和静力弹塑性分析法对国家体育场大跨度钢结构罕遇地震作用下的性能进行了分析，结果表明该结构达到了预定的抗震设防目标。对比两种分析方法的结果，探讨了静力静力弹塑性分析合适的加载模式，为[34]大跨度钢结构的静力弹塑性分析提供了参考。万李等利用SAP2000对某无粘结预应力楼盖框架结构和类似的钢筋混凝土[35]结构进行了Pushover分析，探讨了该结构体系的抗震性能。徐自国等采用静力弹塑性方法对北京当代MOMA结构进行了性能化抗震设计。计算分析结果显示，该结构在中震作用下所有柱及剪力墙未发生屈服、悬挑部分钢结构及其支撑柱保持弹性，实现了性能设计提出的性能目标，说明基于性[36]能的抗震设计提高了结构的抗震性能，保证了“大震不倒”的设防目标。胡潇等采用Pushover方法对在5.12地震中遭受损害的什邡电信大楼进行罕遇地震作用下结构的弹塑性分析，研究该结构在大震作用下的薄弱环节与塑性铰分[37]布特点，结果表明，数值模拟结果与实际破坏情况吻合。魏琏等对某超限高层框支剪力墙结构分别进行了弹塑性时程分析和Pushover分析，将得到的整体反应结果和构件损伤情况进行了对比，结果表明，两种分析[38]均揭示了结构弹塑性反应的基本特点，主要反应指标吻合较好。唐柏鉴等对新型结构巨型钢框架-拉索支撑体系采用倒三角及均匀分布两种侧力加载模式的Pushover分析，研究表明，倒三角加载模式比均匀分布加载模式[39]出现破坏层数相对高一些，两种水平荷载加载方式的破坏模式基本一致。由以上研究成果可以看出，Pushover分析已经成为性能化抗震设计的重要方法之一，对该方法的研究主要侧重于以下几个方面：一是对其加载模式及方式进行改进研究，以此提高该方法的适用性和计算精度。二是运用该方法对各种实际工程进行研究分析，在实际工程的分析过程中对该方法的实现进行探索研究。1.5选题意义及本文的主要工作1.5.1选题意义随着经济水平的发展和城市化建设，我国的高层建筑越来越多，而我国是一个地震灾害频发的国家，人们对建筑结构抗震性能的要求也随着时代在革新。Pushover分析方法是现在最简便的一种基于性态的抗震分析方法，能够综合判断8 工程硕士学位论文结构破坏模式及抗震性能，还可以研究结构薄弱部位及塑性铰分布规律。作为一种新型的高层钢结构体系，装配式斜支撑节点钢框架不仅绿色环保，而且发展前进广阔，一旦投入产业化生产，必定会推动我国钢结构产业经济增长，因此研究该结构体系的抗震性能具有科学意义和经济价值。1.5.2本文的主要工作本文以某30层装配式斜支撑节点钢框架实际工程实例为研究对象，通过有限元软件进行罕遇地震下的Pushover分析，探讨结构的变形特性和破坏机制，并研究斜支撑对地震作用下结构反应的影响，主要内容包括：(1)介绍装配式斜支撑节点钢框架的结构形式和研究现状，简要介绍抗震设计理论的发展进程及基于性能的抗震设计理论，阐述Pushover分析的国内外研究历史与现状，介绍了Pushover分析方法在我国实际工程中的应用实例。(2)介绍Pushover分析的基本假定和原理、等效单自由度体系的原理、水平侧力加载模式、能力谱方法的原理与求解步骤，分析了Pushover方法的优点。(3)首先对装配式斜支撑节点钢框架进行模态分析，了解其动力特性和振型信息；接着对该结构进行反应谱分析，研究在多遇地震作用下结构的反应，并确定了塑性铰布置楼层；最后对该装配式斜支撑节点钢框架进行罕遇地震下的Pushover分析，研究其变形规律和塑性铰分布发展规律，并评价其抗震性能。(4)为研究斜支撑对结构抗震性能的影响，选取无斜撑钢框架进行罕遇地震下的Pushover分析，通过和装配式斜支撑节点钢框架分析结果的对比，探讨了斜支撑对结构抗震性能的影响。希望本文研究成果能为装配式斜支撑节点钢框架结构的抗震设计和抗震性能分析提供参考。-9- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析第2章Pushover分析的基本理论2.1Pushover方法的基本原理2.1.1Pushover方法的基本假定Pushover分析方法，也称静力非线性分析方法或静力弹塑性分析方法，是基于性能抗震设计的重要方法之一。在Pushover分析过程中主要考虑了材料的非线性，即构件达到屈服后刚度改变，结构整体刚度随之改变。Pushover分析是指对结构施加某种侧力模式的水平荷载，由小至大逐步增加该水平荷载，在推覆分析过程中不断修正达到屈服的构件刚度，直到结构控制点位移达到目标位移或结构倾覆为止，最终得到结构的Pushover曲线，即基底剪力-顶点位移曲线。评估和分析结构的抗震性能可以利用Pushover曲线和地震需求反应谱求得性能点，性能点是指该点处对应的结构状态近似反应出结构在预期地震作用下的抗震性能状态。[1]结构静力弹塑性分析方法是基于以下两个假设：(1)实际结构的地震反应是基于某等效单自由度体系的地震反应来进行判断，表明该结构的某一振型主导了该结构的地震反应；(2)在分析过程中，不考虑结构变形对侧力模式的影响，即侧力模式固定不变，也就意味着分析所假定的结构沿高度方向的形状向量固定不变。因为忽略了高阶振型和结构变形随时间变化的影响，这两个假设在理论层面上是不严密的，但是经过实践研究表明，对于由第一振型控制的结构，Pushover分析能得到较为理想的结果。2.1.2等效单自由度体系Pushover方法理论的基础是将原建筑结构的多自由度体系，转化为与其等效[25]的单自由度体系，可以由以下分析得到。用动力微分方程描述弹性结构在地震作用下的结构响应，表达如下式MXCXQM1Xg(2.1)式中M：结构质量矩阵；C：结构阻尼矩阵；X：结构相对位移向量；Q：结构层间恢复力向量，QKX，其中K为结构刚度矩阵；1：单位向量；X：地震动加速度时程。g10 工程硕士学位论文在Pushover方法中，根据其假定可以将结构相对位移向量X用结构顶点位移x和形状向量表示：tXx(2.2)t将式(2.2)代入式(2.1)，得MxCxQM1X(2.3)ttgr假定等效单自由度体系(SDOF)参考位移x为TrMxx(2.4)TtM1T用前乘式(2.3)，将式(2.4)代入式(2.3)，将结构(MDOF)在地面运动下的动力微分方程转化成为等效单自由度体系(SDOF)的动力微分方程：rrrrrrMxCxQMX(2.5)grrT式中，M：SDOF体系的等效质量，MM1TrrTM1C：SDOF体系的等效阻尼，CCTMrrTQ：SDOF体系的等效恢复力，QP，P为MDOF体系屈服yy时楼层荷载向量。2.1.3水平侧力加载模式Puhsover分析时所采用的水平侧力模式代表地震作用下结构的惯性力分布。由上式(2.2)可知，Pushover分析的侧力模式与结构的侧移变形模式X相关，因此侧力模式对分析结果会产生直接影响。Pushover分析过程中，水平侧力模式的选择是一个重点关注问题，美国规范[40]FEMA-356对侧力模式的选取进行了较好的总结，该规范建议至少从以下两组侧力模式中分别选取一种对结构进行分析计算。第一组侧力模式与结构振型有关，包括：2.1.3.1由层高主导的侧力模式kwihiΔFinΔVb(2.6)kwjhjj1式中，ΔF：第i层的水平侧力增量；iΔV：基底剪力增量；bw：第i(j)层的重量；i(j)h：第i(j)层距基底的高度；i(j)n：结构总层数；k：层高修正指数，结构第一振型周期T1≤0.5s时，k=1.0，T1≥2.5s-11- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析时，k=2.0，T1在0.5~2.5s之间时，k可以线性插值选取。由上式可以看出，当k=1.0时为倒三角形侧力加载模式。FEMA-356给出使用该侧力模式的条件是第一阶振型的质量参与系数需达到75%，并且要同时选取均布侧力模式对结构进行分析。2.1.3.2由第一阶振型主导的侧力模式ΔFΔV(2.7)i1ib式中，为结构第一阶振型在第i层的相对位移。FEMA-356给出使用该侧1i力模式的条件是第一阶振型的质量参与系数需达到75%。2.1.3.3由多阶振型组合的侧力模式首先由振型分解反应谱法求得各阶振型的加速度反应谱值，再以SRSS组合方式得到各层层间剪力：mn2Vi(swjsjAs)(2.8)sji式中，V：结构第i层的层间剪力；is：振型号；m：考虑参与组合的振型数量；：第s阶振型的参与系数；sw：第j层的重量；j：第s振型在第j层的相对位移；sjA：第s振型的结构弹性加速度反应谱值。s由层间剪力求得的各层剪力即为各层所加侧力，FEMA-356给出的使用条件是计算振型数的质量参与系数之和需达到90%，并要求合理选用地震动反应谱，同时结构第一振型周期应满足T1＞1.0s。第二组侧力模式有：2.1.3.4均匀分布侧力模式wiΔFΔV(2.9)inbwjj1该侧力模式实质是各层水平侧力由该层质量决定，对于一般的结构形式，结构各层质量相差不大，因此该侧力模式也称为均匀分布侧力加载模式。2.1.3.5自适应侧力模式由Pushover分析的第二条假定可以知道，在一般在静力弹塑性分析中，采用的是固定的侧力模式，没有体现进入塑性状态后结构振动特性改变产生的影响，12 工程硕士学位论文于是，有研究者提出了自适应侧力模式，即在分析过程中根据结构动力特性的改变对侧力模式进行调整。调整实施方法可以采取参照前一步骤确定的结构振型模[22]态、结构变形形式或结构层剪力等，如杨溥提出依据前一步骤确定结构振型模态，再通过振型分解反应谱法计算得到层剪力，由此确定下一步的侧力加载模式。在理论上而言，自适应侧力模式比固定的侧力模式更为合理，但是要考虑侧力模式的变化，这样会使得原本简便的分析过程变得复杂，而且第一条理论假定所引起的误差还是存在，所以可以认为自适应侧力模式与固定的侧力模式属于同一近[1]似水平。由以上侧力模式介绍可知，侧力模式的选择与结构动力特性息息相关，为了保证Pushover分析的准确性和实用性，应当在充分理解结构的动力特性的基础上来选择合理的侧力模式。2.2能力谱方法能力谱方法是美国ATC-40推荐的方法，其基本思想是在同一坐标系下建立两条曲线(如图2.1)：一条是由Pushover曲线(即基底剪力-顶点位移曲线)转化为能力谱线(亦称承载力谱线)，另一条由加速度反应谱转化为ADRS(Acceleration-DisplacementResponseSpectra)谱(亦称需求谱)，两曲线的交点称为“性能点”(或“目标位移点”)，性能点所对应的位移同位移允许值比较，判断结构是否满足抗震要求。性能点的涵义是指，在性能点处结构的受力和变形等效于某一特定地震作用下的受力和变形，所以可以通过评价性能点处结构的反应来判断结构是否满足抗震要求。能力谱方法分析流程如图2.2示。Sa结构的需求谱结构的能力谱Sd0图2.1A-D坐标系下能力谱曲线和需求谱曲线建立结构分析模型Pushover等效荷载-位移曲线能力谱线分析单质点化选择荷载分布模式能力评价等效标准反应谱需求谱线线性化图2.2能力谱分析方法分析流程-13- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析2.2.1建立能力谱与需求谱Pushover曲线上的各点可由基底剪力-顶点位移格式转化为谱加速度-谱位移格式，并由此得到结构的能力谱曲线，亦称ADRS(Acceleration-DisplacementRe[17]sponseSpectra)格式能力谱曲线。ATC-40建议了从基底剪力V和结构顶点位移[42]关系到Sa-Sd关系的转化公式，如式(2.10)~(2.13)：roofV/WS(2.10)a1roofS(2.11)d11,roofN2(mii1)i1(2.12)1NN2(mi)(mii1)i1i1Nmii1i1(2.13)1N2mii1i1式中：W：结构总重量；：第一振型质量参与系数；1：第一振型参与系数；1：第一振型顶点振幅；1,roofm：i层的质量；i：第一振型在第i层的振幅；i1N：层数。需求谱曲线是将Sa-T格式的反应谱转换为ADRS格式，反应谱曲线上的各点[1]可以按照式(2.14)进行转换。2TSS(2.14)d2a42.2.2与中国规范相关的参数转换SAP2000在进行Pushover分析时，采用ATC-40中的求解方法自动确定性能[14]点，在实际操作过程中需要结合我国规范采取参数转换。将ATC-40规定的反[41]应谱与我国规范反应谱进行对比，如图2.3及2.4，可以得到CA、CV。2.5C(2.15)2maxATTC/2.5C(2.16)gsVA14 工程硕士学位论文(g)Ts=CV/(2.5CA)2.5CACV/TCA0.2TsTsT(s)图2.3ATC-40规定的反应谱2maxTg=()2maxT0.45max=[20.21(T5Tg)]maxT(s)00.15TgTg6.0图2.4中国规范反应谱2.3Pushover分析的优点[14]静力弹塑性分析方法已被纳入我国抗震规范，虽然规范只介绍可以采用Pushover分析验算结构的薄弱层弹塑性变形，但是通过Pushover分析，我们可以得到结构更多的抗震性能信息，而且因其操作简便，概念清晰，在实践应用上有很好的优势，总的来说，Pushover分析的主要优点有：(1)相对于非线性时程分析，可以获得较为稳定的分析结果，减少分析结果的偶然性，同时可以大大节省分析时间和工作量；(2)可以对结构的弹塑性全过程进行分析，了解构件破坏的过程，传力途径的变化，结构破坏机构的形成以及设计中的薄弱部位等；(3)可以较为简便地确定评价结构在罕遇地震作用下的整体抗震性能，从而判定结构在大震作用下是否满足不倒塌的抗震设防目标；-15- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析(4)针对结构在大震中的表现性能给出结构改进、加强措施等建议。2.4本章小结本章主要介绍了Pushover方法的基本理论，包括了两个基本假定、等效单自由度体系的建立、水平侧力加载模式、能力谱方法的基本思想，分析了Pushover方法的优点，阐述了Pushover方法的一些基础理论知识，一方面便于理解Pushover分析结果，另一方面为后面进行Pushover分析和评估结构抗震性能做准备。16 工程硕士学位论文第3章某装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析3.1工程概况本文以某30层装配式斜支撑节点钢框架实际工程为研究对象，该实际工程层高3.3m，结构总高度99m，横向纵向均为6跨，跨度3.9m，结构平面为正方形形状，纵横长度均为23.4m。该实际工程位于Ⅱ类场地，地震设计分组为第一组，场地特征周期为0.35s。a)现场安装图片1b)现场安装图片2c)现场安装图片3图3.1装配式斜支撑节点钢框架结构现场安装图-17- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析结构平面布置如图3.2，斜支撑布置如图3.3。图3.2结构平面布置图Y钢柱斜支撑X0图3.3结构斜支撑布置图18 工程硕士学位论文[3]装配式斜支撑节点钢框架主要技术创新点：(1)梁、板在工厂制作为整体主板，作为装配的模块。框架梁及次梁均采用桁架梁，截面形式不同于普通钢框架，便于设备管线的铺设，增加建筑净高。主板首先在工厂组装，地板、天花板、水电、空调集成一个模块，模块上面配载墙体、门窗，整体出厂，然后运送到现场进行组装，如图3.4。这种工厂模块化生产和组装方式大大缩短了建设周期。(2)梁、柱之间的斜支撑，仅跨本层上下端部约1/3柱高。传统钢结构的中心支撑或偏心支撑跨一层或多层。斜支撑不跨层方便建筑上开门窗洞口，使建筑设计更为灵活。(3)在竖向布置上，该结构每10层分为一个区段，如图3.5所示，各区段楼盖系统基本相同，对应各区段框架柱的外围尺寸一致，均采用200mm×200mm的方钢管柱，只是在各区段对钢管壁厚进行调整。图3.4模块整体出厂图第3区段21~30层柱200×200×10第2区段11~20层柱200×200×22第1区段1~10层柱200×200×32图3.5结构竖向布置图-19- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析装配式斜支撑节点钢框架的主板平面布置如图3.6，主板结构构造如图3.7所示。双右板双端双右板左板双端左板内中板双端内中板双右板左板双端左板双右板图3.6结构主板布置图腹杆弦杆长梁长套次梁中梁宽梁宽梁3900470短斜杆主龙骨宽梁7800图3.7主板结构构造图20 工程硕士学位论文3.2分析模型为了提高非线性分析效率，按照《装配式斜支撑节点钢框架结构技术规程》(征[43]求意见稿)对模型进行了如下简化：结构采用线单元建模，柱子被斜撑分为3段，每段为两端刚接的压弯构件，斜支撑为两端刚接的压弯构件，桁架梁上、下弦为两端连续的压弯构件，腹杆两端铰接。计算模型如图3.8。图3.8装配式斜支撑节点钢框架计算模型分析时考虑钢结构自重、楼面(屋面)恒活载、外墙恒载，具体荷载取值见表23.1。本文钢结构材料选取Q345B，弹性模量E=206kN/mm，钢材主要材性指标见表3.2，y为钢材的屈服应变，u为极限应变。具体结构截面见表3.3。表3.1计算模型荷载取值荷载名称荷载值2楼面(屋面)恒荷载3.0kN/m2楼面(屋面)活荷载2.0kN/m外墙恒荷载1.6kN/m表3.2钢材主要材性指标钢材fy/MPafu/MPayuQ345B3454700.001670.20000-21- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析表3.3构件截面表(mm)段数位置截面主梁/长主梁弦杆C160×80×8次梁弦杆C48×45×3长梁/中梁弦杆C80×80×6主梁/长主梁腹杆2L56×8次梁腹杆L30×3第1区段(1~11层)长梁/中梁腹杆L50×4柱矩200×200×32撑脚C135×135×10斜撑C160×90×8端次梁腹杆L36×6端长梁/中梁腹杆L50×6主梁/长主梁弦杆C160×80×6次梁弦杆C48×45×3长梁/中梁弦杆C80×80×6主梁/长主梁腹杆2L50×8次梁腹杆L30×3第2区段(11~20层)长梁/中梁腹杆L50×4柱矩200×200×22撑脚C135×135×8斜撑C140×90×8端次梁腹杆L36×6端长梁/中梁腹杆L50×6主梁/长主梁弦杆C160×80×6次梁弦杆C48×45×3长梁/中梁弦杆C80×80×6主梁/长主梁腹杆2L50×6次梁腹杆L30×3第3区段(21~30层)长梁/中梁腹杆L50×4柱矩200×200×10撑脚C135×135×8斜撑C140×90×5端次梁腹杆L36×6端长梁/中梁腹杆L50×622 工程硕士学位论文3.3模态分析在进行静力弹塑性分析前，对装配式斜支撑节点钢框架进行模态分析，初步分析和确定其动力特性。在模态分析阶段，使用SAP2000和MidasGEN两种软件进行对比分析，以验证计算模型的正确性。比较SAP2000和MidasGEN计算结果，发现两种软件计算结果吻合较好，可以认为结构模型可靠。按照我国《抗规》5.2.2条文说明，选取振型参与质量达到总质量90%的振型数，经验算取前12阶振型能满足此要求。结构的前3阶自振周期见下表3.4。表3.4结构自振周期(s)周期SAP2000MidasGEN振型描述T13.5633.360Y向平动T23.5373.337X向平动T32.5342.370扭转[44]根据《荷载规范》附录F中的式(F.2.1-1)，即Tg0.10~0.15n(3.1)式中：n——建筑总层数。根据式(3.1)估算可得30层建筑物的第一阶自振周期在3.0s~4.5s之间，SAP2000与MidasGEN计算结果均在此范围内，由此说明该新型结构体系基本周期与估算公式的计算结果吻合较好。结构前三阶振型变形如图3.9所示。a)第一振型-23- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析b)第二振型c)第三振型图3.9前三阶模态结构变形图(SAP2000)24 工程硕士学位论文表3.5结构振型质量参与系数X向质量参与系数(%)Y向质量参与系数(%)振型SAP2000MidasGENSAP2000MidasGEN10.050.0576.0076.27276.0076.120.050.0530.000.000.010.01两种软件计算的振型参与质量系数见表3.5。由表3.4及表3.5可以得到：(1)两个软件模型计算得到的周期和振型吻合；(2)结构的第1(2)阶振型在Y(X)向的质量参与系数达到75%，在静力弹塑性分析时可以采取第一振型的侧力模式。SAP2000和MidasGEN两个软件模型的总重力表3.6中，两个模型的总重力误差为0.4%。表3.6结构模型总重力对比软件模型SAP2000MidasGEN误差(%)总重力(kN)77220775580.4综合以上数据表明，两种软件计算模型基本一致，可用于对比分析。3.4反应谱分析[42]文献建议在Pushover分析之前运用常用分析手段了解结构的大致特性，然后基于对结构力学行为的基本判断来进行静力弹塑性分析，也就是先对结构进行弹性分析，了解结构在弹性状态下的反应，然后进一步研究结构在弹塑性状态下的反应。在我国《抗规》中，振型分解反应谱法是计算多遇地震作用的一种重要方法。为了解结构在多遇地震下的反应特性，运用SAP2000和MidasGEN两种软件对结构进行振型分解反应谱分析，研究结构在地震作用下的变形规律，为Pushover分析做铺垫。按照《抗规》5.2.2条文说明，振型个数的选取需满足振型参与质量超过总质量90%，因此选取前12阶振型进行反应谱分析。3.4.1层剪力及剪重比软件分析得到的装配式斜支撑节点钢框架在多遇地震下的层剪力如图3.10所示，从图中可以看到两种软件计算的层剪力吻合一致，且两个方向上结构变形规律一致，结构层剪力沿竖向分布无明显突变。-25- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析30SAP2000MidasGEN252015楼层105002004006008001000剪力(kN)a)X向楼层剪力30SAP2000MidasGEN252015楼层105002004006008001000剪力(kN)b)Y向楼层剪力图3.10多遇地震作用下层剪力表3.7多遇地震作用下结构剪重比软件模型SAP2000MidasGEN地震作用方向X向Y向X向Y向底层地震剪力(kN)921918921920剪重比1.38%1.37%1.38%1.38%SAP2000和MidasGEN两个软件计算得到的结构剪重比如表3.7所示。由表3.7可知，结构的最小剪重比1.37%小于《抗规》表5.2.5限值1.6%，但是结构底层的剪重比达到规范限制的85%，且结构的中上部剪重比符合规范要求，按照《抗规》26 工程硕士学位论文5.2.5条文说明，可以采用乘以增大系数的方式进行调整，本文模型的增大系数取1.2。调整后层剪力如图3.11所示，两种软件计算结果吻合一致，结构楼层剪力沿竖向分布无明显突变。表3.8调整后多遇地震作用下结构剪重比软件模型SAP2000MidasGEN地震作用方向X向Y向X向Y向底层地震剪力(kN)1104110211041103剪重比1.65%1.65%1.65%1.65%30SAP2000MidasGEN252015楼层1050020040060080010001200剪力(kN)a)X向楼层剪力SAP200030MidasGEN252015楼层1050020040060080010001200剪力(kN)b)Y向楼层剪力图3.11调整后多遇地震作用下楼层剪力-27- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析3.4.2层位移及层间位移角在SAP2000软件中，可以通过广义位移的定义来得到层间位移的计算结果，经试算，在多遇地震作用下装配式斜支撑节点钢框架每层楼面各节点的相对侧移很小，故选取每层楼面的中心节点为每层层间位移的计算点。在MidasGEN软件中，可以通过定义层数据来得到层位移及层间位移角，本文取程序计算得到的每层计算结果的最大值。反应谱分析得到的层位移及层间位移角曲线如图3.12和3.13所示。由图3.13可以看出，结构在柱截面变化的楼层(11层、21层)出现了层间位移角的突变。SAP2000MidasGEN30252015楼层1050020406080100层位移(mm)a)X向楼层位移SAP2000MidasGEN30252015楼层1050020406080100层位移(mm)b)Y向楼层位移图3.12多遇地震下层位移曲线28 工程硕士学位论文研究装配式斜支撑节点钢框架在多遇地震下的最大层间位移角，在SAP2000软件计算结果中，X向最大层间位移角为1/990，分布在结构第12层，Y向最大层间位移角为1/990，分布在结构11-12层；在MidasGEN软件计算结果中，Y向和X向最大层间位移角均为1/1000，且均分布在11-14及21层。由两种软件计算结果可知最大层间位移角未超过《抗规》限制1/550。SAP200030MidasGEN252015楼层10500.00000.00030.00060.00090.0012层间位移角a)X向层间位移角SAP200030MidasGEN252015楼层10500.00000.00030.00060.00090.0012层间位移角b)Y向层间位移角图3.13多遇地震下层间位移角曲线-29- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析3.5Pushover分析[45]文献对结构弹塑性计算分析给出了使用建议：高度不超过150m的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法；高度超过200m时，应采用弹塑性时程分析法；高度150~200m之间，可视结构自振特性和布置规律选择静力弹塑性方法或弹塑性时程分析方法。高度超过300m的结构，应有两个独立的计算，进行校核。通过前两章的理论介绍可知，Pushover分析有比较成熟的理论支撑，是评估结构抗震性能的有效手段。本节对结构进行罕遇地震作用下的Pushover分析，以其达到以下目的：(1)根据结构在罕遇地震作用下的基底剪力、顶点位移和层间位移角等综合指标，评价结构在大震作用下的抗震性能，确定结构是否满足“大震不倒”的设防目标；(2)观察罕遇地震作用下结构受力状态和塑性铰发展过程；(3)通过位移和内力等判断罕遇地震作用下结构是否存在薄弱层和薄弱部位，对该结构体系的抗震设计提供参考意见。3.5.1Pushover分析在SAP2000中的实现Pushover分析能够得到结构薄弱部位、塑性铰发展规律等结果，凭借这些结果能对结构的整体及构件的抗震性能做出相应的评价，在实际工程实践中具有很强的实用性，本节将重点讲述Pushover分析在SAP2000中的具体实现步骤和方法。3.5.1.1塑性铰定义[40]在SAP2000默认的钢构件铰属性一般基于FEMA-356。FEMA-356建议了[1]如图3.14所示的塑性铰骨架曲线。Q/QyIO:ImmediateOccupancy立即使用CLS:LifeSafe生命安全CPBLSIOCP:CollapsePrevention防止倒塌DEA/y图3.14塑性铰广义力-广义位移曲线SAP2000中使用离散的塑性铰来考虑结构的非线性行为，考虑结构的受力特点，对桁架一般定义轴力铰，对梁一般定义主方向的弯矩铰和剪力铰，对柱一般定义PMM相关铰。SAP2000中允许在同一位置可以有不止一种类型的铰，例如，30 工程硕士学位论文可指定一个弯矩铰和一个剪力铰给一框架单元的同一端。对于本算例模型，有26642个节点，61041个杆件单元，模型杆件数量很多，根据试算结果，定义大量塑性铰会降低程序计算效率，因此需要根据结构的受力特性和变形特点来合理选择塑性铰定义位置。由反应谱分析结果和结构竖向布置特点，确定在结构的第1~4、11~14、20~23层布置相应的塑性铰，如图3.15。考虑结构受力特点，在桁架梁的腹杆和弦杆中点布置轴力铰(P铰)，在框架柱和斜撑位置两端布置耦合的PMM铰。20~23层11~14层1~4层图3.15塑性铰定义楼层3.5.1.2Pushover分析操作步骤第一步，将重力荷载施加给结构，定义重力非线性分析工况，施加荷载选择(100%×恒荷载+50%×活荷载)，考虑P-Δ效应。第二步，定义Pushover分析工况，根据模态分析结果和SAP2000软件提供[40]的侧力模式，选取侧力模式为均匀分布和第一振型分布，如表3.9所示。初始状态选择从重力非线性工况结束时继续，荷载施加控制选择位移控制，监测点选顶层楼面中心点(节点26391)，监测位移取0.01H=990mm，保存多个状态的分析结果，最小保存步数取99，最大保存步数取990，其余非线性参数使用SAP2000[41][14]默认值。罕遇地震作用下，结构阻尼比取0.05。第三步，利用得到的Pushover曲线求出结构在罕遇地震下的性能点，得到性能点处的顶点位移，以该位移为罕遇地震下的目标位移，再次进行Pushover分析，得到罕遇地震下的结构变形规律。-31- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析表3.9静力弹塑性分析加载模式选取分析工况工况控制方向加载方式1(2)Y向(X向)Y(X)向均布模式加载3(4)Y向(X向)Y(X)向第一振型模式加载3.5.2Pushover分析结果3.5.2.1基底剪力-顶点位移曲线与性能点经过对结构的基底剪力-顶点位移分析，得出了结构的基底剪力-顶点位移曲线，如图3.16所示。工况18000工况36000)kN4000向基底剪力(Y200000100200300400500600700800Y向顶层节点位移(mm)a)Y向基底剪力-顶点位移曲线工况28000工况46000)kN4000向基底剪力(X200000100200300400500600700800X向顶点位移(mm)b)X向基底剪力-顶点位移曲线图3.16基底剪力-顶点位移曲线由图3.16可以看出，结构的顶点位移只达到监测位移的50%~70%，查看软件计算过程，分析产生不收敛的原因，主要是因为结构杆件很多，定义塑性铰的[42]杆件数量较多，降低了软件分析的效率及收敛性。文献提出“Pushover分析是32 工程硕士学位论文对结构进行性能分析，不是模拟结构的倒塌过程，是评估结构破坏前的综合指标评定”，并建议“除非能模拟失效，不要推到破坏之外”，进一步分析查看7度罕遇地震作用下结构性能点的顶点位移，只达到监测位移的25%左右，因此虽然本结构的推覆分析未达到监测位移或结构破坏，但仍然可以对结构的抗震性能做出相应评价。为了比较两种不同侧力模式对结构基底剪力-顶点位移曲线的影响，选取Y向、X向基底剪力-顶点位移曲线进行对比分析，如图3.16所示，经对比可知，[39]工况1(2)得到的抗侧刚度大于工况3(4)，与文献得到的结果一致。SAP2000在进行Pushover分析时，采用ATC-40建议的能力谱方法自动确定结构在某一地震作用下的性能点。根据性能点可以确定结构在该地震作用下的层间侧移、塑性铰分布等。本工程场地类别Ⅱ类，设计地震分组第一组，抗震设防烈度7度，根据我国抗震规范，查得αmax=0.50，Tg=0.40s(考虑罕遇地震作用时，特征周期增加0.05)，根据式(2.15)和(2.16)计算调整系数CA=2.0，Cv=2.0。输入调整系数后，软件自动算得的性能点，如图3.17。在图3.17中，横坐标是谱位移，单位是m，纵坐标是谱加速度，单位是2g(9.8m/s)。结构的性能点坐标及对应的基底剪力和顶点位移如表3.10所示。(g)能力谱需求谱(m)a)工况1能力谱-需求谱-33- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析(g)能力谱需求谱(m)b)工况2能力谱-需求谱(g)能力谱需求谱(m)c)工况3能力谱-需求谱34 工程硕士学位论文(g)能力谱需求谱(m)d)工况4能力谱-需求谱图3.17静力弹塑性分析能力谱-需求谱表3.10罕遇地震下性能点表格工况性能点(g,m)基底剪力(kN)顶点位移(mm)1(0.063，0.155)38682172(0.064，0.154)39012173(0.057，0.175)31632474(0.056，0.177)3401263从表3.10可以看出，在罕遇地震作用下，该结构Y向、X向性能点数据相差不大。比较侧力模式对分析结果的影响，可以得出：在罕遇地震作用下，工况1(2)对应的结构基底剪力较大，而顶点位移较小。3.5.2.2层间位移角罕遇地震作用下性能点处层间位移角如图3.18所示。对比两种不同的加载模式，由图3.18可知，在工况1(2)情况中，最大层间位移角均出现在第2层，最大值为1/223(工况1)；在工况3(4)情况中，最大层间位移角均出现在第12层，最大值为1/310(工况4)，均小于《抗规》限值1/50，说明结构满足“大震不倒”的抗震设防目标。整体比较两种侧向模式，在工况1(2)情况下，结构底部变形比上部变形大，在工况3(4)情况下，结构中上部变形比底部变形大。-35- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析工况1工况23030工况3工况4252520201515楼层楼层101055000.0000.0020.0040.0060.0000.0020.0040.006Y向层间位移角X向层间位移角a)Y向加载时Y向层间位移角b)X向加载时X向层间位移角图3.18罕遇地震下结构层间位移角3.5.2.3塑性铰分布规律装配式斜支撑节点钢框架在四种工况作用下的塑性铰发展状态见图3.19~图3.22。对结构的塑性铰发展规律进行分析，发现在7度罕遇地震作用下，整体结构产生的塑性铰较少且集中分布在桁架梁的腹杆上，产生的塑性铰大部分处于B状态，而框架柱和斜支撑上没有产生塑性铰，证明结构满足“大震不倒”的抗震设防目标。a)第18步(第一个塑性铰)b)第22步(性能点)c)第42步图3.19工况1塑性铰发展36 工程硕士学位论文进一步研究结构塑性铰的发展，在Pushover分析过程中，只有桁架梁上产生了塑性铰，其中塑性铰主要分布在桁架梁腹杆上，框架柱和斜支撑上没有塑性铰产生，说明结构整体抗震性能良好。为研究结构塑性铰在楼面桁架梁上的分布规律和特点，查看结构楼层上塑性铰分布，见后图3.23和3.24。a)第18步(第一个塑性铰)b)第22步(性能点)c)第40步图3.20工况2塑性铰发展a)第23步(第一个塑性铰)b)第25步(性能点)c)第58步图3.21工况3塑性铰发展-37- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析a)第23步(第一个塑性铰)b)第26步(性能点)c)第58步图3.22工况4塑性铰发展比较两种侧向模式的静力弹塑性分析结果，发现第一个塑性铰产生的楼层与侧力模式有关。在工况1(2)情况下，塑性铰首先出现在结构首层，工况3(4)情况下，塑性铰首先出现在结构11~12层，并且都分布在中心桁架梁的腹杆处，如图3.23所示。a)工况1第一个塑性铰产生位置(1层)38 工程硕士学位论文b)工况2第一个塑性铰产生位置(1层)c)工况3第一个塑性铰产生位置(12层)d)工况4第一个塑性铰产生位置(12层)图3.23结构第一个塑性铰产生位置-39- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析a)工况1典型楼层塑性铰分布(1层)b)工况2典型楼层塑性铰分布(1层)c)工况3典型楼层塑性铰分布(12层)40 工程硕士学位论文d)工况4典型楼层塑性铰分布(12层)图3.24结构典型楼层塑性铰分布和发展两种侧力模式下结构塑性铰分布规律基本一致，并且随着水平侧力不断加大，塑性铰也在继续发展。继续研究塑性铰分布和发展规律，发现该装配式斜支撑节点钢框架的塑性铰分布与其结构形式相关。对比研究结构主板布置图3.6，发现塑性铰主要产生在中间拼接桁架梁上，且主要集中在桁架梁的腹杆处，除了极少数桁架梁弦杆产生塑性铰，斜支撑和框架柱没有产生塑性铰，说明整体抗震性能良好。该结构的典型楼层塑性铰分布见图3.24。3.6本章小节本章运用SAP2000和MidasGEN两种软件对装配式斜支撑节点钢框架进行了模态分析，相互验证建模的正确性，研究其动力特性和振型信息；对该结构进行多遇地震下的反应谱分析，根据反应谱分析结果和结构竖向布置特点，确定了塑性铰布置的楼层；对该结构进行了Pushover分析，根据分析结果，可以得到如下结论：(1)不同的侧力模式对装配式斜支撑节点钢框架第一个塑性铰产生位置有影响，均布侧力模式下结构第1层首先出现塑性铰，第一振型侧力模式下结构第12层首先出现塑性铰。(2)7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架最大层间位移角1/223，小于规范限制1/50，说明该结构满足“大震不倒”的基本抗震设防要求。(3)7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架塑性铰主要分布在中心桁架梁的腹杆，立柱和斜支撑节点区没有破坏，证明该结构满足“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的抗震设防要求，具备良好的整体抗震性能。-41- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析第4章斜支撑对结构抗震性能的影响4.1分析目的与意义[6][7]由文献和可知，斜支撑对装配式斜支撑节点钢框架的梁柱节点有保护作用，不过该文献中只采用了节点模型或者单榀单跨模型进行分析，为了研究斜支撑对结构整体抗震性能的影响，本文采用了整体三维模型进行研究分析，采用无斜撑钢框架进行Pushover分析，分析所选取的工况、塑性铰布置等其他参数与装配式斜支撑节点钢框架一致。无斜撑钢框架计算模型如图4.1。图4.1无斜撑钢框架计算模型4.2无斜撑钢框架与装配式斜支撑节点钢框架分析结果对比4.2.1基底剪力-顶点位移曲线和性能点对比装配式斜支撑节点钢框架与无斜撑钢框架的基底剪力-顶点位移曲线对比如图4.2所示，由图可以看出，在四种工况作用下，无斜撑钢框架的基底剪力-顶点位移曲线总是在装配式斜支撑节点钢框架的下方，说明在相同基底剪力情况下，装配式斜支撑节点钢框架顶点位移比无斜撑钢框架小。42 工程硕士学位论文有斜撑8000无斜撑6000)(kN4000向基底剪力Y200000100200300400500600700800Y向顶点位移(mm)a)工况1基底剪力-顶点位移曲线对比有斜撑8000无斜撑6000)(kN4000向基底剪力X200000100200300400500600700800X向顶点位移(mm)b)工况2基底剪力-顶点位移曲线对比有斜撑8000无斜撑6000)(kN4000向基底剪力Y2000001002003004005006007008009001000Y向顶点位移(mm)c)工况3基底剪力-顶点位移曲线对比-43- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析有斜撑8000无斜撑6000)(kN4000向基底剪力X2000001002003004005006007008009001000X向顶点位移(mm)d)工况4基底剪力-顶点位移曲线对比图4.2基底剪力-顶点位移曲线对比以7度罕遇地震为评价标准，求解无斜撑钢框架的性能点，如图4.3。无斜撑钢框架性能点表格如表4.1，将计算结果与装配式斜支撑节点钢框架进行对比，发现在7度罕遇地震的性能点处，装配式斜支撑节点钢框架基底剪力较大，顶点位移较小，假定以无斜撑钢框架计算结果为基准，7度罕遇地震斜支撑的布置使结构顶点位移减小33.4%~38.1%，说明布置斜支撑有利于减小结构在罕遇地震下的的变形。(g)能力谱需求谱(m)a)工况1能力谱-需求谱44 工程硕士学位论文(g)能力谱需求谱(m)b)工况2能力谱-需求谱(g)能力谱需求谱(m)c)工况3能力谱-需求谱-45- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析(g)能力谱需求谱(m)d)工况4能力谱-需求谱图4.3无斜撑钢框架静力弹塑性分析需求谱-能力谱表4.1无斜撑钢框架性能点表格工况性能点(g,m)基底剪力(kN)顶点位移(mm)1(0.039，0.256)23673442(0.039，0.255)23783433(0.034，0.289)20153994(0.035，0.287)20163954.2.2层间位移角对比表4.2最大层间位移角对比工况有斜撑无斜撑减小百分比11/2231/18019.3%21/2931/18237.9%31/3321/19940.1%41/3101/20135.2%注：减小百分比=(有斜撑-无斜撑)/无斜撑×100%46 工程硕士学位论文比较装配式斜支撑节点钢框架与无斜撑钢框架的最大层间位移角，如表4.2所示。由表4.2可以得到，假定以无斜撑钢框架为基准，斜支撑的布置使结构的最大层间位移角减小19.3%~40.1%，说明斜支撑的布置显著减小了结构在罕遇地震下的变形。有斜撑有斜撑30无斜撑30无斜撑252520201515楼层楼层101055000.0000.0020.0040.0060.0000.0020.0040.006Y向层间位移角X向层间位移角a)工况1层间位移角对比b)工况2层间位移角对比有斜撑有斜撑30无斜撑30无斜撑252520201515楼层楼层101055000.0000.0020.0040.0060.0000.0020.0040.006Y向层间位移角X向层间位移角c)工况3层间位移角对比d)工况4层间位移角对比图4.4罕遇地震下结构层间位移角对比-47- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析装配式斜支撑节点钢框架和无斜撑钢框架在罕遇地震下的层间位移角曲线对比如图4.4。由图可以看出，在四种工况作用下，无斜撑钢框架结构中下部的层间位移角均比装配式斜支撑节点钢框架结构大，说明斜支撑的布置对结构中下部变形有显著影响。4.2.3塑性铰分布规律对比无斜撑钢框架在各工况下第一个塑性铰产生位置如图4.5所示，典型楼层塑性铰分布如图4.6所示。在7度罕遇地震的性能点处无斜撑钢框架没有出现塑性铰，但对Pushover分析全过程中塑性铰的发展和分布规律进一步研究，以及和装配式斜支撑节点钢框架的塑性铰分布和发展规律进行对比，得出如下结论：(1)分析比较装配式斜支撑节点钢框架与无斜撑钢框架第一个塑性铰产生的位置，相同的是第一个塑性铰均产生于桁架梁腹杆，不同的是出现楼层有变化。在工况1(2)作用下，无斜撑钢框架首先塑性铰的楼层是第2层，与装配式斜支撑节点钢框架一致；在工况3(4)作用下，无斜撑钢框架首先出现塑性铰的楼层是3-4(2-4)层，比装配式斜支撑节点钢框架楼层要低，如图4.5所示。(2)分析比较装配式斜支撑节点钢框架与无斜撑钢框架塑性铰的发展规律，无斜撑钢框架的塑性铰除了在中间桁架梁的腹杆处分布，还在原本布置斜支撑的节点区产生了塑性铰，如图4.6所示。由此可以证明斜支撑的布置对梁柱节点区有保护作用，对于该装配式钢结构而言，布置斜支撑对该结构的“强节点，弱构件”效应具有重要意义。a)工况1第一个塑性铰产生位置(2层)48 工程硕士学位论文b)工况2第一个塑性铰产生位置(2层)c)工况3第一个塑性铰产生位置(3层)d)工况4第一个塑性铰产生位置(3层)图4.5无斜撑钢框架第一个塑性铰产生位置-49- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析a)工况1典型楼层塑性铰分布(2层)b)工况2典型楼层塑性铰分布(2层)c)工况3典型楼层塑性铰分布(2层)50 工程硕士学位论文d)工况4典型楼层塑性铰分布(2层)图4.6无斜撑钢框架典型楼层塑性铰分布和发展4.3本章小结本章对无斜撑钢框架进行了Pushover分析，并且将分析结果和装配式斜支撑节点钢框架进行对比，得到如下结论：(1)在7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架的顶点位移比无斜撑钢框架小33.4%~38.1%，说明斜支撑的布置减小了结构在罕遇地震作用下的整体变形。(2)在7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架中下部的层间位移角比无斜撑钢框架小，最大层间位移角比无斜撑钢框架小19.3%~40.1%，说明斜支撑的布置减小了结构中下部的变形。(3)装配式斜支撑节点钢框架与无斜撑钢框架第一个塑性铰均产生于桁架梁腹杆，但在第一振型侧力模式下，无斜撑钢框架首先出现塑性铰的楼层比装配式斜支撑节点钢框架楼层要低。(4)无斜撑钢框架塑性铰主要集中于结构底部楼层，而装配式斜支撑节点钢框架塑性铰主要产生于结构中下部楼层，且塑性铰主要产生在结构桁架梁腹杆处。(5)斜支撑的布置对梁柱节点区有保护作用，在无斜撑钢框架塑性铰发展过程中，原本布置斜支撑的节点区内产生了塑性铰，说明对于该新型装配式钢结构而言，斜支撑的布置可以实现结构“强节点，弱构件”的抗震设计目标，有利提高该结构体系的抗震性能。-51- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析结论作为一种新型的高层装配式钢结构，装配式斜支撑节点钢框架的工厂模块化生产方式充分发挥了装配式钢结构的优势，即施工周期被大大缩短。本文以某30层装配式斜支撑节点钢框架为研究对象，对该结构进行了模态分析、多遇地震下反应谱分析及罕遇地震下Pushover分析，并研究和探讨了斜支撑对该结构抗震性能的影响，通过分析可得到如下结论：(1)通过Pushover分析得到装配式斜支撑节点钢框架的变形规律，结果表明，在7度罕遇地震作用下，该结构最大层间位移角1/223，小于规范限制1/50，说明结构满足“大震不倒”的基本抗震设防要求(2)通过Pushover分析得到装配式斜支撑节点钢框架塑性铰分布和发展规律，结果表明，在7度罕遇地震作用下，该结构塑性铰主要分布在中心桁架梁的腹杆，立柱和斜支撑节点区没有破坏，说明该结构满足“强柱弱梁”的抗震设防要求，具备良好的整体抗震性能。(3)不同的侧力模式对装配式斜支撑节点钢框架第一个塑性铰产生位置有影响，均布侧力模式下结构第1层首先出现塑性铰，第一振型侧力模式下结构第12层首先出现塑性铰。(4)在7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架的顶点位移比无斜撑钢框架小33.4%~38.1%，说明斜支撑的布置减小了结构在罕遇地震作用下的整体变形。(5)在7度罕遇地震作用下，装配式斜支撑节点钢框架中下部的层间位移角比无斜撑钢框架小，最大层间位移角比无斜撑钢框架小19.3%~40.1%，说明斜支撑的布置减小了结构中下部的变形。(6)装配式斜支撑节点钢框架与无斜撑钢框架第一个塑性铰均产生于桁架梁腹杆，但在第一振型侧力模式下，无斜撑钢框架首先出现塑性铰的楼层比装配式斜支撑节点钢框架楼层要低。(7)无斜撑钢框架塑性铰主要集中于结构底部楼层，而装配式斜支撑节点钢框架塑性铰主要产生于结构中下部楼层，且塑性铰主要产生在结构桁架梁腹杆处。(8)斜支撑的布置对梁柱节点区有保护作用，在无斜撑钢框架塑性铰发展过程中，原本布置斜支撑的节点区内产生了塑性铰，说明对于该新型装配式钢结构而言，斜支撑的布置可以实现结构“强节点，弱构件”的抗震设计目标，有利提高该结构体系的抗震性能。由于作者时间和精力有限，本文对装配式斜支撑节点钢框架结构体系抗震性52 工程硕士学位论文能研究，还存在许多问题有待进一步研究。(1)本文装配式斜支撑节点钢框架是一个平面规则结构，对于该结构体系中平面布置不规则(如十字形)的结构还需要进一步研究。(2)本文的Pushover曲线没有计算到下降段，考虑结构构件较多而计算软件卸载方法的不收敛，需要有更精确的分析来得到结构被推倒的全过程曲线。(3)针对装配式斜支撑节点钢框架这一新型体系的阻尼比，本文仅依据规范选取常规数值，没有考虑阻尼比变化对分析结果的影响。-53- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析参考文献[1]陆新征,叶列平,廖志伟等.建筑抗震弹塑性分析.北京:中国建筑工业出版社,2009[2]陈以一,王伟,童乐为等.装配式钢结构住宅建筑的技术研发和市场培育.住宅产业,2012,12:32-35[3]张爱林.远大可建工业化装配式多高层钢结构性能关键问题研究报告.北京工业大学,2012.09[4]倪真,赵越,刘学春.模块化装配式钢结构桁架梁承载力性能研究.工业建筑,2014,44(8):14-18[5]倪真,马靖,刘学春.模块化装配式钢框架抗震性能研究.工业建筑,2014,44(8):19-22[6]张爱林,惠怡,刘学春.斜撑对装配式钢框架梁柱拼接节点抗震性能影响研究.工业建筑,2014,44(8):35-38[7]张爱林,马靖,刘学春.装配式斜支撑钢框架承载力性能试验研究.工业建筑,2014,44(8):10-13[8]刘学春,徐阿新,倪真.模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与抗震性能研究.工业建筑,2014,44(8):23-26[9]刘学春,林娜,张爱林.某装配式斜支撑钢框架结构P-Δ效应研究与整体稳定分析.钢结构(增刊),2014:129-136[10]张爱林,田辰,刘学春.工业化装配式高层钢结构桁架梁腹杆计算长度分析.工业建筑,2014,44(8):128-131[11]刘学春,徐阿新,张爱林.模块化装配式斜支撑节点钢框架结构整体稳定性能研究.北京工业大学学报,2015,41(5):718-727[12]张再华,舒兴平,贺冉.两种多高层装配式钢结构体系及技术特点比较分析.建筑结构,2014,44(13):52-57[13]谢礼立,马玉宏,翟长海.基于性态的抗震设防与设计地震动.北京:科学出版社,2009[14]中华人民共和国国家标准,建筑抗震设计规范(GB50011-2010).北京：中国建筑工业出版社,2010[15]FreemanSA,NicolettiJP,andTyrellJV.EvaluationofExistingBuildingsforstseismicrisk-AcasestudyofPugetSoundNavalShipyard.In:Proc1U.S.NationalConf.onEarthquakeEngineering.EERI.Bremerton,Washington:Berkeley.1975,113-12254 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工程硕士学位论文致谢感谢舒兴平教授和周一平高级工程师对本文的悉心指导，从选题、撰写到成稿，每个阶段都倾注了舒老师的心血和汗水，舒老师严谨治学的态度和认真负责的精神一直鼓舞着我，在此谨向舒老师表达我衷心的感谢和祝福！感谢博士师兄卢倍嵘、袁智深、姚尧、张再华、贺冉，感谢你们在学习上和工程实践过程中对我的引导和帮助。感谢曹福亮、唐利纯、廖荣庭、周垒淇、王光超、刘泽龙、毛家喜、赵凯、贺清蓉、刘三玲、胡佳等11位同门在论文撰写中给与的无私帮助，感谢室友陈巧舒在学习和生活上给与的许多帮助。七年来，感谢所有帮助和关心过作者的老师、同学和朋友，感谢王路不离不弃地陪伴。特别感谢我的父母，感谢你们对我的支持与信任，你们无私的爱给了我战胜困难的勇气和坚持不懈的毅力，在此祝愿你们永远健康开心！感谢母校七年来对我的培养。最后，感谢评阅论文和参加答辩的各位评审老师和专家。张文献2015年5月于湖南大学-57- 装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析附录A(攻读学位期间发表的学术论文目录)[1]舒兴平,张文献,卢倍嵘.装配式斜支撑节点钢框架Pushover分析.工业建筑(已收录).58
