强震下人字形中心支撑钢框架滞回能需求层间分布.pdf

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1、第27卷第1期苏州科技学院学报(工程技术版)Vo1．27No．12014年3月JournalofSuzhouUniversityofScienceandTechnology(EngineeringandTechnology)Mar．2014强震下人字形中心支撑钢框架滞回能需求层间分布杭晓晨，顾强(苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011)摘要：考虑远、近场地震动特性，采用非线性动力分析方法，对3个不同层数人字形中心支撑钢框架结构滞回能需求的层间分布规律进行了研究。分析了远、近场罕遇地震下各结构层间滞回

2、耗能分布规律及支撑耗能与其它构件耗能的比例，框架中各构件耗能的比例；提出了远、近场地震下结构滞回能层间分布系数计算公式。为中心支撑钢框架基于能量的抗震设计方法研究提供了依据。关键词：人字形中心支撑钢框架；能量平衡；滞回能分布；动力非线性分析；近场地震中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1672—0679(2014)01—003l一08与远场地震记录相比，近场地震记录具有不同的特性，其中以加速度记录中的高频成分及长周期的速度脉冲效应最为明显【l】。通常近场地震动能量高、持时短，往往使结构在短时间内产

3、生较大的位移而导致结构严重破坏，甚至倒塌[21。基于能量的结构抗震设计方法涉及了力和位移两个参数，同时还反映了地震持时的影响，是对现行基于力抗震设计方法的革新，也为目前的热点研究方向。本研究从结构能量平衡方程出发，研究远、近场地震对人字形中心支撑钢框架结构滞回能需求沿层间分布的影响，为中心支撑钢框架基于能量的性态抗震设计方法研究提供依据。承受底部激励的多自由度体系相对能量方程网fTfTr‘Tf0TJ{／／)【明{it}dt+J{奶[c]{it}dt+J㈦{F()}=一J{五)[{1}~g(t)dt(1)式中

4、，[为结构的质量矩阵；[c]为结构阻尼矩阵；{F(f)}为结构恢复力列向量；{／／)、{it)、{)分别为质点的相对加速度、速度和位移列向量，为地震波加速度。方程(1)左边第一项为动能，第二项为阻尼能E，第三项为弹性应变能加滞回能。方程右边项为输入能日。式(1)可对应写成Ex+Ev+Es+E~=E1(2)研究结果表明，动能和应变能都很小，几乎可以忽略，这两项在基于能量的设计中是没有意义的。阻尼能和滞回能构成了输入能量的主体，与结构设计有关的主要能量项是滞回能，滞回能的研究是能量分析方法研究的核心内容，滞回能

5、与结构震害关系的研究包含两方面的内容，它们分别是累积滞回能和瞬时滞回能，前者与结构的累积损伤相关，后者决定了结构的最大位移反应，结构的累积损伤破坏与最大位移破坏均可用能量方法解释[41，得出滞回能需求沿结构高度的分布规律是提出基于能量抗震设计方法和改善结构抗震性能的前提。1算例文中lO层3跨、15层3跨、20层3跨算例均按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)t~及《钢结构设计【收稿日期】2013—05—22【基金项目】国家自然科学基金项目(51278320)【作者简介】杭晓晨(1987一)，男，

6、江苏苏州人，硕士研究生。苏州科技学院学报(工程技术版2014规范}(GB50017—2003)[61的相关规定进行设计，结构跨度均为7．2m，层高均为3．6m。结构平立面见图1-2。／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／-＼／，＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／，＼／-＼／＼／＼／＼(a)10层(b)15层(c)20层图1结构平面布置图2结构立面布置建筑位于8度抗震设防区，设计地震基本加速度0．3g；设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地；梁柱节点为刚性连接，支撑与框架铰接，对支撑杆件

7、引入了l／1000的初始挠度；钢材为Q345。有限元分析所用模型为图1中2轴线带支撑框架，保守地假设其中带支撑榀框架承担整个结构的水平地震力，故2轴线带支撑框架承受一半水平地震力。该榀框架的竖向荷载取值范围如图1中阴影部分面积所示。按照文献[5】的相关规定，以场地条件、特征周期和对规范Beta谱平台段和结构自振周期附近拟合的方法及多遇地震时程分析底部剪力满足反应谱计算要求选取远场地震记录，最终选取15条远场天然波和7条人工波，共22条地震波来分析10层结构。12条远场天然波和9条人工波，共2l条地震波来分析

8、l5层结构，11条远场天然波和6条人工波，共l7条地震波来分析2O层结构，远场天然地震波汇总见表1。按文献[7-9]建议选取速度脉冲效应较明显的11条近场地震波分析10层、15层及2O层结构，近场天然地震波汇总见表2表1远场天然地震波汇总表利用sap2000对3个算例进行了小震、中震、大震下的时程分析，分别对应远场地震波加速度峰值为110gal、294gal、510gal。10层、l5层和20层结构在小震、中震、