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非线性地震响应过程中钢筋混凝土框架的周期
摘要
本文给出了对中等高度钢筋混凝土框架结构的后激励期与结构的非弹性损伤以及地震地震动强度之间关系的详细评估结果。通过使用选定的激励时程集合进行非线性动力学分析,对位于温哥华的,按照加拿大国家建筑规范1995年版进行设计的通用配置六层钢筋混凝土抗力矩框架建筑物进行了分析。设计级激励的励磁后周期仅略大于弹性周期,但对于激励,其激励速度在设计级激励的三倍时增加50%至100%。尽管对于不同的激励时间历史存在一些分散,但是平均加一个标准偏差水平(M SD)的结构响应参数与相应的激励后周期之间的关系非常接近线性。这些结果可用于估计与特定变形水平(即层间漂移和构件曲率延性)相关的周期延长程度。
引言
众所周知,钢筋混凝土框架结构在非线性地震响应期间会由于在变形后屈服水平下混凝土的开裂和劣化增加而软化。这种软化的作用之一是周期的延长。虽然软化通常还伴随着强度的损失,这是不希望的效果,但是周期延长在减小地震激励的效果方面可能是有益的,因为频谱加速度通常随着周期的增加而减小。虽然从地震中受损结构的观察中已经有一些证据表明周期延长的程度,但是关于周期延长的程度与强地震地震动强度之间关系的信息有限。
最近对中等高度(六层)延性钢筋混凝土框架在不同水平的强烈地震运动作用下的性能的研究(Heidebrecht and Naumoski,1999)包括确定地震运动停止后的基本周期。本文的目的是显示框架周期如何随着地震激励水平的增加而延长,并提出结构周期与非弹性变形程度之间的关系。框架的设计是根据1995年版的《加拿大国家建筑规范》(Associate Committee on the National Building Code,1995)的抗震规定进行的,此处将其称为NBCC 1995。按照加拿大钢筋混凝土结构材料标准(Canadian Standards Association,1994)进行连接。
框架说明
建筑配置
本次调查中使用的通用建筑物配置包括一幢六层办公楼,在纵向有7个隔间,在横向有5个隔间。建筑平面图如图1所示。楼层高度为4.0 m,底部楼层除外,高度为5.2 m。每个方向上的侧向抗力结构系统均包括抗弯钢筋混凝土框架。有六个框架可抵抗纵向地震运动,在图1的平面图中,两种类型分别标记为L1,L2和L3。在横向,仅两个端框架抵抗地震运动,每个框架都标记为T在结构系统的这种配置下,纵向框架的设计受重力和侧向载荷的支配。横向框架的设计主要受侧向荷载的影响,因为每个框架承受的是整个建筑的一半,而仅承受相邻半舱室的重力荷载。地板系统包括一个横向延伸的单向平板,由L1,L2和L3型框架的梁支撑。平板与梁一体铸造。
抗震设计
在NBCC 1995中,最小横向地震力(基本切变力)V由下式给出:
V =(Ve / R)U (1)
其中U = 0.6是校准因子,R =力修正因子(值范围从1对非延性抗侧向载荷系统到4对于全延性抗振系统),Ve =弹性侧向地震力,由下式给出:
Ve = v S I F W (2)
其中v =纬向速度比(对应于以m / s为单位的峰值地面速度),S =地震响应因子(结构周期的函数),I =重要因子(对于正常重要性的建筑物为1),F =基础因子( 1,用于在岩石或坚硬土壤上的建筑物),W =恒载。 此设计选择的地点是不列颠哥伦比亚省温哥华市,该地区为中等地震危险区域,纬向速度比v = 0.20,代表在50年内超过10%的概率时的预期最大速度。由于该建筑物有办公空间,因此I = 1,并且假定场地位于岩石上,因此F =1。由于框架被设计为具有充分的延展性,R =4。因此,材料属性选择为与建筑相同。平板,梁和柱:fc = 30 MPa,fy = 400 MPa,除了fy = 300 MPa。结构的总静载荷W约为150,000 kN。结构的设计完全满足NBCC 1995和CSA A23-3-94的要求,包括采用能力设计原则确定全延性框架节点的柱矩能力。基础柱的弯矩承载力设计为与第一层顶部的承载力成比例,该比例与使用规范侧向荷载进行弹性分析得出的弯矩相同。仅设计了L2型纵向框架;假定其他纵向框架具有相同的钢筋比率。
表1给出了横向框架和L2纵向框架的构件尺寸和主要设计特征。 Naumoski和Heidebrecht (1997)给出了钢筋的详细信息。
框架建模
为了确定框架在遭受地震地面运动时的性能,开发了每个框架的非弹性模型以用于非弹性动力分析程序,即IDARC的McMaster增强版本(Kunnath et al. 1992)。使用横截面的纤维分析确定每个梁和柱的末端部分的弯矩-曲率关系。基于Mander等人提出的模型,混凝土的应力-应变关系包括约束作用(1988)。弯矩-曲率关系简化为三线性模型,其中第一段对应于未开裂的刚度,第二段对应于开裂和屈服之间的区域,第三段对应于屈服后的范围。在使用滞后模型的分析中考虑了刚度降低和收缩效应,该模型非常接近实验观察到的行为。关于建模的更多详细信息由Naumoski和Heidebrecht (1998)提供。
表1. 纵向钢筋的构件尺寸和百分比
框架 |
横向 |
纵向 |
|||
弹性期 (s) |
1.16 |
1.04 |
|||
列大小 (cm) |
90 x 90 |
90 x 90 |
70 x 70 |
||
列位置: |
ext |
int |
ext |
int |
|
纵向钢筋在地板上进入地板的接缝的百分比 |
6 |
1.64 |
1.68 |
1.68 |
2.04 |
5 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
1.22 |
|
4 |
0.99 |
1.48 |
1.48 |
1.22 |
|
3 |
0.99 |
2.07 |
2.07 |
1.22 |
|
2 |
1.33 |
2.42 |
2.42 |
1.22 |
|
1 |
1.73 |
2.42 |
2.42 |
1.22 |
|
base |
2.96 |
3.46 |
3.46 |
3.27 |
|
梁尺寸 (cm) 宽 x 总深度 |
50 x 110 |
35 x 70 |
|||
钢的位置 : |
top |
bott. |
top |
bott. |
|
纵向钢筋在地板上的百分比,水平指示在右边
|
6 |
0.36 |
0.36 |
1.02 |
0.49 |
5 |
0.55 |
0.36 |
1.22 |
0.61 |
|
4 |
0.82 |
0.55 |
1.43 |
0.82 |
|
3 |
1.15 |
0.82 |
1.63 |
0.82 |
|
2 |
1.27 |
1.02 |
1.84 |
1.02 |
|
1 |
1.40 |
1.15 |
1.84 |
1.02 |
|
动态分析
地震激励
每帧都经历了15个时程的合奏,其频谱形状与温哥华预期的设计级地震地震动相似。频谱形状与a / v比率有关,其中a是峰值地面加速度(以Agcong;为单位),v是峰值地面速度(以m / s为单位)。如NBCC 1995地震分区图所示,温哥华的a和v值均为0.20,因此a / v =1。选定的集合(Naumoski et al., 1993)的平均a / v为1.02,单个记录的值介于0.82至1.21之间。这些时间历程中的每一个都根据其峰值水平速度进行了缩放,其依据是设计取决于速度,周期为0.5到2.5s的结构的响应主要与峰值地面速度有关,而不是峰值速度。到地震运动的最高地面加
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