防屈曲支撑钢框架的抗地震倒塌与抗连续倒塌能力分析

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我国现行的建筑结构设计规范是在结构构件承载能力的基础上考虑结构安全性的,在整体结构的安全性考虑上有所缺失;另外,现行规范也没有考虑偶然荷载作用下结构受损后的竖向连续倒塌失效模式,没有提供相应的结构抗连续倒塌设计方法。本文针对防屈曲支撑钢框架结构,分析结构的抗地震侧向倒塌与竖向连续倒塌能力及其相应的失效模式,主要研究内容如下:(1)以OpenSees为分析平台,采用杆单元对防屈曲支撑构件的力学性能进行了建模与分析;采用考虑材料非线性和几何非线性的纤维梁柱单元以及杆单元,对防屈曲支撑平面钢框架进行了有限元建模与验证。考虑钢材的滞回本构模型,建立了一个9层钢框架结构Benchmark模型的有限元模型,并设计了两种防屈曲支撑布置方案。(2)通过静力Pushover分析和时程分析,得到了防屈曲支撑与钢框架结构的合理刚度匹配原则,分析了防屈曲的最优布置方式和布置原则,并对结构体系的塑性铰形成机制与发展规律进行了分析。研究了配置防屈曲支撑的钢框架结构在地震作用下的耗能减振机理,分析了防屈曲支撑降低钢框架结构地震反应和提高钢框架结构整体稳定性能的作用。通过防屈曲支撑钢框架与纯钢框架结构的整体超强系数RS与整体延性折减系数Rμ的对比,分析了防屈曲支撑提高钢框架结构抗震承载能力和塑性变形能力(整体延性)的作用。(3)运用IDA技术,研究了完整结构以及防屈曲支撑和柱破坏后的损伤结构在地震作用下的侧向增量倒塌失效模式和性能点。以地震易损性(条件倒塌概率)和地震风险(年平均倒塌概率)为评价指标,研究了防屈曲支撑对实现钢框架结构整体协同受力及整体屈服机制、提高钢框架结构整体性的作用,分析了防屈曲支撑提高钢框架结构抗地震倒塌能力的作用。(4)采用备用荷载路径方法,考虑防屈曲支撑和柱失效后对原有结构的影响,运用Pushdown分析和竖向IDA技术,研究了在失去防屈曲支撑和框架柱后损伤结构的竖向连续倒塌失效模式和性能点。研究了防屈曲支撑降低主体结构损伤的作用,以及在主体结构发生损伤后作为备用的荷载传力路径实现结构荷载重分布和使结构达到新的稳定平衡状态的作用。基于结构的极限荷载系数、动力放大系数和剩余强度比,采用“假想构件删除”方法研究和评价了防屈曲支撑失效前后结构的冗余性及鲁棒性,并综合分析结构局部损伤的发生对抵抗连续倒塌能力的影响。
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