钢框架--钢筋混凝土核心筒高层混合结构基于性能的抗震设计方法研究

作     者：黄志华 

作者单位：同济大学 

学位级别：博士

导师姓名：吕西林

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：抗震设计 钢框架-钢筋混凝土核心筒结构 最优设防烈度 弹塑性反应谱法 整体地震损伤 钢筋混凝土连梁 钢筋混凝土剪力墙 

摘      要：基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初美、日等国家的学者根据近年来的震害调查提出的抗震设计思想，现已成为21世纪各国抗震设计规范修订的主流方向。基于性能的抗震设计目的是将所设计的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续。本文建立了钢框架-钢筋混凝土简体高层混合结构基于性能的抗震设计方法，主要做了以下几方面的工作：\n 1.结合提出的高层混合结构的性能目标，给出了高层混合结构优化设计的实用计算方法。该优化方法使结构全寿命预期总费用最小，其中包括结构造价和遭遇地震时的失效损失期望。这样，在求出最优设防烈度后，即可按照此烈度进行结构的常规第一阶段设计。\n 2.结合弹塑性反应谱的研究，给出了求解钢框架-钢筋混凝土核心筒高层混合结构位移需求的基本步骤，并采用不同的R-μ-T关系计算了某15层混合结构的位移需求。结果表明：选取不同模型计算所得的位移需求有一定的偏差，偏差大致在25％以内，其中Newmark&Hall模型会较大幅高估结构的位移需求。通过比较，最终选取吕西林、周定松模型，其估计的位移需求与弹塑性时程分析结果的偏差基本控制在30％以内，可以为工程接收；对比分析表明了该模型的合理性，同时说明弹塑性反应谱法是一种比较有效的估计此类结构位移需求的方法，在混合结构基于性能的抗震设计中具有应用价值。\n 3.基于模态参数，给出高层混合结构在四个损伤状态下的最终软化指标；然后用非线性分析软件CANNY对9个不同结构参数高层混合结构模型进行了近500次不同地震动作用下的非线性时程分析，建立了最大层间位移角与最终软化指标及结构参数之间的关系，以及最大层间位移角和最大总位移角之间的关系；并结合Pushover分析，提出了高层混合结构基于变形和能量的双参数损伤指标；最后通过一高层混合结构的模拟地震振动台试验对建议的各损伤指标量化值进行了验证。\n 4.钢筋混凝土连梁作为重要的结构单元可以减少墙肢的弯矩并耗散地震能量。影响钢筋混凝土连梁变形能力的主要因素包括混凝土受压区高度系数ξ、跨高比x和约束箍筋的配置等。本文建立了钢筋混凝土连梁的配箍特征值λvb、混凝土受压区高度系数ξ、跨高比x与梁端塑性铰极限转动量θuplb之间的量化关系，即λvb-ξ-x-θuplb关系，然后通过8个研究机构所进行的钢筋混凝土连梁试验对该关系进行了验证。在此关系的基础上，提出了钢筋混凝土连梁基于性能的抗震设计方法。\n 5.影响钢筋混凝土剪力墙变形能力的主要因素包括高宽比r、轴压比n、边缘约束构件约束程度等。建立了钢筋混凝土剪力墙端部约束构件的配箍特征值λvw、轴压比n、高宽比r与剪力墙极限位移△uw之间的关系，即λvw-n-r-△uw关系，然后通过7个研究机构所进行的钢筋混凝土剪力墙试验对该关系进行了验证。在此关系的基础上，提出了钢筋混凝土剪力墙基于性能的抗震设计方法。\n 6.介绍了高层混合结构基于性能抗震设计的基本步骤：即首先进行最优设防烈度决策并按此烈度进行结构常规的第一阶段设计，然后采用弹塑性反应谱法确定结构在大震下的位移需求，再进行结构整体损伤评估，最后进行钢筋混凝土构件的变形能力设计。通过一个20层的高层混合结构设计实例详细介绍了整个设计过程。