结构位移比（精选7篇）
结构位移比 篇1
1 引言
在现行普遍应用的PKPM结构计算软件中, 位移比、周期比作为SATWE的重要计算参数指标, 在实际工程中也是比较难调的, 为此我们应弄清其本质。高规3.7条, 抗规5.5条中均对位移比做出的要求, 周期比只在高规3.4.5条中做出了规定, 对于多层结构, 周期比可适当放宽要求。
2 位移比、周期比的本质探讨
位移比、周期比的本质在于控制扭转变形。我们不妨设想一个极端情况, X或Y方向两端刚度分别为1和1000, 显然这是明显的刚度不均匀, 水平力作用下势必造成扭转变形, 刚度小的那端扭转变形非常大, 表现出来的就是位移比非常大, 表现在周期上则会出现第一周期为扭转周期或周期系数中扭转成分很大。同样的思维, 我们能想象外部刚度和内部刚度的不均匀分布也会造成上述现象。由此我们在实际工程中要想实现较好的位移比、周期比控制值应努力做到建筑结构刚度均匀分布。
3 位移比、周期比的概念控制
在方案初期, 我们就应考虑相对规则的建筑结构, 当然在建筑日新月异发展的今天, 各种奇特造型的建筑突起, 让建筑师屈服于结构改变建筑风格, 基本不可能, 这就需要我们结构设计人员在不可能中寻找可能。第一, 我们需判断哪一侧扭转变形大, X方向或Y方向两侧刚度不均匀时, 刚度小的一侧扭转变形大;外部刚度相对内部刚度不合理的, 外部刚度弱的那侧扭转变形大。借助软件我们也可以进行判断, 在SATWE分析结果图形和文本显示中均可查看, 这里就不列举了。
既然我们知道了刚度均匀是本质, 那要调整位移比、周期比无怪乎就是把刚度往均匀分布的方向靠近, 刚度大的做减法, 刚度小的做加法。在实际工程中内部结构的减法一般都能实现, 而外部结构的加法受限较多。这里需要注意的是在框剪结构中还应注意框架部分承担的地震倾覆力矩占总地震倾覆力矩的比例, 满足高规8.1.3条、抗震规范第6.1.3条中相关规定, 不能一味的减少剪力墙, 对有平面突变的结构还应注意楼层抗剪承载力、及承载力比值满足抗规3.4.3条中0.8限值, 避免出现竖向不规则情况。
4 实际工程应注意的一些问题
4.1 规范规定
高规3.4.5:结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下, 楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移, A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍, 不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍, 不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比, A级高度高层建筑不应大于0.9, B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。注:当楼层的最大层间位移角不大于本规程第3.7.3条规定的限值的40%时, 该楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值可适当放松, 但不应大于1.6。
4.2 实际工程中不满足规范规定时的调整方法
(1) 程序调整:程序无法实现。
(2) 人工调整:改变结构平面布置, 提高结构的扭转刚度。总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度 (减小第一扭转周期) , 适当削弱结构中间墙、柱的刚度 (增大第一平动周期) 。周边布置要均匀、对称、连续, 有较大凹凸的部位加拉梁等 (减小变形) , 减小结构质心与刚心的偏心距。 (在SATWE分析结果图形和文本显示中可查) 亦可找出最大位移比所对应的位置, 可加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度。
图1为本人近期做的一个高层公共建筑结构平面, 在设计过程中就遇到了上述问题。根据本工程建筑功能、平面布置利用电梯间、楼梯间等竖向交通盒及设备管井布置剪力墙, 并组合成筒体布置形式, 从图中可以看出南北端不对称, 偏心较大, 为调整结构刚心, 加强结构抗扭刚度, 考虑到公共建筑考虑外立面及采光等要求, 在外围结构上做加法受限, 利用建筑周边的角部房间在外围增加剪力墙结构, 并加强北部远离核心筒位置的剪力墙, 以减小结构的扭转位移量差值, 弱化偏心带来的扭转影响。
4.3 一些应注意的问题
(1) 位移比其实是小震不坏、大震不倒的一个抗震措施, 是考察结构扭转效应, 限制结构实际扭转的量值。扭转所产生的扭矩, 以剪应力的形式存在, 一般构件的破坏准则通常是由剪切决定的, 所以扭转比平动危害大。在实际工程中调整结构扭转参数的重点不是非要把刚心和质心重合 (实际工程这种可能性较小) , 重点在于调整由结构抗扭刚度和因刚心质心偏心产生的扭转效应的比值, 同时兼顾调整刚心和质心的偏心。我们在验算位移比时一般应选择“强制刚性楼板假定”, 但这只是为了有一个量化参考标准, 而不是这样的概念才是正确的, 软件设置需要一个包络设计, 能涵盖大部分结构工程, 而且符合规范要求, 做设计时, 应遵循实事求是的原则, 而不是一味要求“采用刚性板假定”, 对于有转换层等复杂高层或结构凸凹不规则或楼板局部不连续的建筑, 应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型或者采取一定的构造措施符合刚性楼板假定。位移比应考虑偶然偏心、不考虑双向地震作用。
(2) 控制周期比主要是为了控制当相邻两个振型较接近时由于震动偶联而造成结构的扭转效应增大。周期比是控制侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系, 而非其绝对大小, 它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理, 使结构不至于出现过大的扭转效应, 不是要求结构是否足够结实而是要求结构承载布局合理。实际工程中周期比不满足要求时, 一般只能通过调整平面布局来改善, 这种改变一般是整体性的, 局部小的调整往往收效甚微。当不满足周期比时, 若层位移角控制潜力较大, 宜减小结构内部竖向构件刚度, 增大平动周期;当不满足周期比且层位移角控制潜力不大, 应检查是否存在扭转刚度特别小的楼层, 若存在则应加强该楼层 (构件) 的抗扭刚度, 如若各层抗扭刚度无突变则应加大整个结构的抗扭刚度。
5 结束语
在利用PKPM等软件进行结构设计时, 常常会遇到周期比、位移比不满足规范的情况, 它们的本质是控制扭转变形, 是扭转刚度的指标, 是让我们把结构布置的尽量均匀, 所以弄清其本质及一些在实际工作中的具体细节是很有必要的。
摘要：简要介绍规范中位移比、周期比的要求, 结合本人工程设计经验, 对位移比、周期比进行一些探讨和思考, 强调控制扭转变形的重要性, 简要介绍位移比、周期比的基本概念、理论知识、程序操作及在实际工程中的控制方法和注意事项。
关键词：位移比,周期比,扭转变形
参考文献
[1]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010.
[2]建筑抗震设计规范GB 50011-2010.
[3]傅学怡.实用高层建筑结构设计.
[4]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件——中国建筑科学研究院.PKPM CAD工程部.
结构位移比 篇2
1 具体检测方法
检测采用4等量块。选用0.5、1.0、2.0、5.0、7.0、10.0 mm共6个量块,以1.0 mm定位零位,置于装置最下方,同时记录轴向位移测量装置输出值。分别将量块组合形成2.5、5.0、7.5、10.0、12.5 mm共5个测量点,置于装置下方、1.0 mm量块上方,记录相应的输出值。每次测量重复3次,计算3次测量中每次的输出变化量,以3次测量的算术平均值作为实际输出值。此输出值与所用量块标准值之差即为轴向位移测量装置示值误差,应符合不超过0.03 mm的要求。
2 数据处理和误差分析
被检仪器位移示值的计算公式为:
式中,
xij——位移测量装置第i点,第j次测量的输出值,mm;
xoj——位移测量装置第j次测量的零位输出值,mm;
X——第i点测量所用量块的标称值,mm。
示值误差Δxi=xiX。
3 示值误差的不确定度分析
以12.5 mm点为例,分析测量不确定度。
3.1 数学模型
示值测量误差的数学模型为:
式中,
Δx——测量结果的示值误差,mm;
X——被校位移测量装置测量值,mm;
X——标准量块的标称值,mm。
3.2 灵敏度系数
被测位移测量装置的测量值对测量误差的灵敏度系数标准量块的标称值对测量误差的灵敏度系数
3.3 输入量的标准不确定度评定
3.3.1 标准量块引人的标准不确定度u1(X)
根据量块证书可知,环境温度的影响可忽略。量块长度对其标称长度的允许误差为3.0μm。按均匀分布估计,则
3.3.2 被测装置引入的标准不确定度u2(x)
被测装置引入的标准不确定度主要是测量结果重复性引起的误差,环境温度影响可忽略。对10.0 mm位移点进行10次测量,取平均值作为测量结果,标准不确定度(A类)可以用试验标准偏差来评估。本实验在重复性条件下测量10次,得到如下测量列:
单次实验标准差为:
则
3.3.3 标准不确定度分量
标准不确定度分量见表1。
3.3.4 合成标准不确定度
由于u1(X)和u2(X)彼此间相互独立,因此合成标准不确定度
3.3.5 扩展不确定度
取包含因子k=2,则扩展不确定度
4 结论
由不确定度分析结果看,此现场检测方法切实可行,可以应用于承载比测试仪位移示值的现场校准,避开了因为拆卸造成仪器磨损的风险,在不影响正常使用的基础上校准得到广大使用单位的认可。希望有关检测人员得以借鉴。
参考文献
[1]JJF 1001—1998通用计量术语及定义[S].
[2]JJF 1059—1999测量不确定度评定与表示[S].
[3]JJG 34—1996指示表(百分表和千分表)检定规程[S].
[4]GB/T 21043—2007土工试验仪器应变控制式无侧限压缩仪[S].
高层建筑结构水平位移控制概述 篇3
建筑结构都要抵抗由恒荷载和活荷载产生的竖向荷载和由风荷载、地震作用产生的水平荷载, 对于高层建筑, 风荷载、地震作用产生的水平荷载起主要控制作用, 因而, 由水平荷载引起的位移 (水平侧移) 是高层建筑结构设计中一个很重要的指标。水平荷载作用下结构的楼层侧移, 主要由3部分组成: (1) 楼层的整体剪切位移 (也称平动位移) , 由楼层剪力引起; (2) 结构因整体弯曲变形产生的侧移 (也称转动位移) , 由水平荷载产生的倾覆力矩引起; (3) 基础转动位移, 由地基变形引起的结构整体刚体转动所产生的位移, 对结构在竖向荷载作用下的重力二阶效应影响最大, 与结构在水平荷载作用下受力和变形无关。
各国规范控制高层建筑水平位移的指标不尽相同, 但大部分国家规范是以层间位移作为控制指标的[1]。层间位移限值是高层建筑结构设计的一个重要指标。在正常使用条件下, 限制高层建筑结构层间位移的主要目的有:一是保证主结构基本处入弹性受力状态。对钢筋混凝土结构来讲, 要避免混凝土墙或柱出现裂缝;同时, 将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内;二是保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好, 避免产生明显损伤[2]。
2 控制位移的参数
控制层间变形的参数一般有3种:即层间位移与层高之比 (层间位移角) ;有害层间位移角;区格广义剪切变形。
2.1 层间位移与层高之比 (层间位移角)
1) 定义:指楼层层间最大位移与层高之比。
2) 表达式:
式中, Δui为第i层层间位移 (见图1) ;θi为第i层层间位移与层高之比 (第i层层间位移角) ;ui, ui-1为第i层、i-1层位移;hi为第i层层高。
2.2 有害层间位移角
1) 定义:建筑某楼层因弯曲和剪切产生的层间位移与层高之比, 即建筑某层构件因弯曲和剪切变形引起的层间位移角。
2) 表达式:
式中, θi d为第i层有害层间位移角;Δuid为第i层构件弯曲和剪切变形产生的层间位移 (见图1) 。
2.3 区格的广义剪切变形 (简称剪切变形)
1) 定义:剪切变形是将层间位移角中剪力墙、框架和连梁区格各自不同的刚体位移 (转动) 部分去除, 剩下部分的变形。
2) 表达式:
式中, γi j为区格ij剪切变形, 其中脚标i表示区格所在层次, j表示区格序号;Δυi为区格两端的竖向位移差 (见图2) ;θi-1, j为区格ij下楼盖的转角, 以顺时针方向为正;lj为区格ij的宽度;υi-1, j, υi-1, j-1为相应节点的竖向位移。
层间位移角反映剪切型结构的受力特征较为合理, 但与弯曲型或弯剪型结构的受力特征的相关性较差[3]。有害层间位移角主要用来反映剪力墙等弯曲型结构的受力特征, 对整个楼盖的变形采用了平截面假定。从结构受力与变形的相关性来看, 参数γi j即剪切变形较符合实际情况;但就结构的宏观控制而言, 参数θi即层间位移角又较简便。考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标, 为便于设计人员在工程设计中应用, 我国规范采用了层间最大位移与层高之比Δu/h, 即层间位移角θ作为控制指标。
3 层间位移控制的有效途径及方法
3.1 选用合理的抗侧力体系
选择合理的结构抗侧力体系, 能有效地控制高层建筑地位移。在水平荷载的作用下, 以整体剪切变形为主的结构, 如框架结构, 其上部层间位移较小, 下部层间位移较大[4]。而以整体弯曲变形为主的结构, 如剪力墙结构, 其上部层间位移较大, 下部层间位移较小。结构采用弯曲型和剪切型两种不同变形性质的构件形成一个完整的结构体系, 即弯-剪双重体系, 两种不同变形性质的构件通过楼板进行协同工作, 能明显减小高层结构的顶点位移及层间位移。弯-剪双重抗侧力体系在工程中应用非常广泛, 常见的有框架-混凝土剪力墙体系, 框架-支撑体系, 框架-混凝土筒体等[5]。
3.2 优化结构布置, 控制结构适宜的刚度
在平面布置上, 高层建筑平面宜简单、规则, 减少偏心。在竖向布置上, 高层建筑的竖向体型宜规则、均匀, 避免有过大的外挑和收进[6]。刚度愈大, 高层建筑中剪力墙或框架柱的数量越多, 尽管结构变形较小, 但地震时吸引了更大的地震力, 使用空间上也有所限制, 且明显增加结构自重, 造成材料浪费, 造价提高。刚度太小, 结构在地震或风荷载作用下变形过大, 可能产生严重后果甚至倒塌。适宜的刚度既能保证结构在地震和风荷载作用下不致产生过大的变形, 又能做到结构设计经济实用。
3.3 设置结构加强层
根据近年来高层建筑的设计经验及理论分析研究, 当框架-核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时, 可以设置加强层以加强核心筒与周边框架的联系, 提高结构整体刚度, 控制结构位移。可利用高层建筑的避难层、设备层空间, 设置适宜刚度的水平伸臂构件, 形成带加强层的高层建筑结构。必要时, 加强层也可同时设置周边水平环带构件。水平伸臂构件、周边环带构件可采用斜腹杆桁架、实体梁、箱形梁、空腹桁架等形式。
4 结语
1) 对于高层建筑, 风荷载、地震作用产生的水平荷载起主要控制作用, 由水平荷载引起的位移 (水平侧移) 是高层建筑结构设计中一个很重要的指标。
2) 各国规范控制高层建筑水平位移的指标不尽相同, 但大部分国家规范是以层间位移作为控制指标的。从结构受力与变形的相关性来看, 剪切变形作为控制高层建筑水平位移的指标较符合实际情况, 但如何应用到实际工程中还需要进一步研究。
3) 本文介绍了控制高层建筑结构层间位移的几种有效方法, 在进行设计时, 做好分析工作, 选用合理的结构型式和平面、立面布置, 对控制高层建筑的水平侧移会起到事半功倍的效果。
摘要：根据高层建筑结构的受力特点, 阐述了高层建筑结构水平位移的组成和控制水平位移的意义, 分析了控制水平位移的指标参数, 以及我国规范对高层建筑结构水平位移的控制指标, 介绍了控制高层建筑结构水平位移的几种有效方法。
关键词：高层建筑,水平位移,位移控制,层间位移
参考文献
【1】魏琏.高层建筑结构位移控制研讨[J].建筑结构, 2000, 30 (6) :27-30.
【2】GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].
【3】忻鼎康.超高层混凝土结构的层间变形限值[J].建筑结构学报, 2000, 21 (3) :10-15.
【4】邓明科.剪力墙结构基于性能抗震设计的目标层间位移确定方法[J].工程力学, 2008, 25 (11) :141-148.
【5】钱稼茹.高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
某网格结构节点位移监测与分析 篇4
本网格结构是对钢筋混凝土结构的外围保护的钢结构,位于广州市珠江新城。该工程是广州歌剧院多功能厅。外围护钢结构为空间组合折板式三向斜交网格结构,该结构由38个三角面组成。长向投影距离87.6 m,短向投影距离86.7 m,高度22.3 m。网格落地处设置收边钢环梁,搁置在球形支座上,另在内部设置了多个球型钢支座,支撑在混凝土结构上。其中4号,5号,9号,14号,19~25号节点与球型刚支座相连。钢结构主梁、次梁均采用焊接箱型截面,主梁与主梁交接处采用铸钢节点。共有25个铸钢节点,其中空中的有18个铸钢节点,接地的有7个铸钢节点。在施工安装的过程中,1、2、6、7、10、11、12、15、16号铸钢节点由胎架支撑。胎架的结构形式是钢结构格构式。
2 试验仪器的选择与原理
位移和挠度的检测的仪器一般用百分表,其精度满足一般的试验要求,但根据试验现场的条件,节点太高,安装百分表不适合。因此,采用全站仪对铸钢节点的位移监控。为了减小误差,采用不测全站仪高度的方法[1]。
在铸钢节点上贴一块激光片作为该铸钢节点的测点,结构的四周布置基准点。使用全站仪,以基准点作为测站,对激光片进行观测,读取激光片十字丝交叉处的坐标值。该激光片拆除胎架前后的坐标差值视为该铸钢节点的位移变化量。
3 有限元模型
主梁断面760~1 500 mm×4 00 mm;次梁断面750 mm×250 mm。球型支座共有58个,其中多数为固定铰支座,转角处为了释放水平力采用平面滑动支座。节点与构件,构件与构件的联接方式是四面围焊,定义节点为刚性。4、5、9、14号铸钢节点与其内部主体结构铰接,主体结构提供竖向的力。模型见图1。
在全部的焊缝焊接完毕,拆除胎架的情况下,对空中的17个铸钢节点的位移进行观测。检测的结果与SAP2000计算的值进行对比,得出结构在自身重力的作用下铸钢节点位移的规律,判断节点位移对结构稳定性影响,其结果详见表1。
4 位移结果比较与分析
4.1 实测结果与模拟结果比较
实测坐标采用当地规划设计院提供的坐标。在结构的周围建立平面控制网,控制网为四等网。SAP2000计算出来的节点位移的坐标与实测坐标不一致。经坐标转化后,X为N方向,Y为E方向,Z为竖直方向。5号节点因视线的原因不能对其观测。
4.2 实测结果与模拟结果分析
除18号节点Z方向,位移最大误差是15.6%。全站仪的精度为0.1 mm,18号节点Z方向的计算值只有0.03 mm,也就是说全站仪所测的值反应不了18号节点Z方向的增量。撤去胎架后,结构在重力的作用下,结构竖直方向的位移方向向下,这与实测值基本吻合。结构是不规则的结构,形心轴与重心轴不是同一轴,由此,结构在重力的作用下,产生了偏心力,这偏心力产生的弯矩使结构在水平面出现了位移,同时支座也对结构的位移有影响。这样就解释了各节点X,Y方向位移的偏向基本一致(1~17号节点X方向的位移为正N方向,虽18号节点的位移是负N方向,其值很小。1~7号,9~10号节点的位移为负E方向,只有8号节点的Y方向的位移为正E方向)。与支座越近,节点位移越小,这在表一中得到了体现。8号节点是离两边的支座最远的,其位移也是最大的。
拆除胎架的过程既是改变结构的约束,也是逐渐释放结构自身重力逐渐加载的过程。结构的稳定是拆除胎架过程中关键的问题。稳定是结构所处的一种状态,分3类:1)结构体内的几何稳定;2)结构受外部约束后的稳定,及约束的充分性;3外部约束的充分的弹性或弹塑性稳定[2]。本次施工的过程是结构受外部约束后的稳定,施工完毕后是结构体内的几何稳定。拆除的方式不是间隔节点拆除,而是结构的两边按边先后拆除。这更需要试验人员的精确计算才行。同时需要一种合理解释位移产生的原因。一种能比较广泛地被接受的解释是:失稳发生意味着稳定平衡向不稳定平衡的转移而达到一个新的稳定的平衡。所以人们刻意寻求可能发生平衡转移的那个瞬间或状态,即临界状态。同时,人们的兴趣也就理所当然地集中在稳定平衡或不稳定平衡的定义及其判断。至此,可以对失稳作这样的定义,即结构的失稳是处于高位能的结构由平衡的临界状态随着能量的释放向稳定平衡状态运动的过程[2,3]。所以说结构在除掉胎架的约束,需要一个新的平衡状态,结构节点位移是结构能量的释放的一种方式。
5 结 语
本次对节点的观测是拆除胎架全过程的观测。不仅仅是数据的采集,还是对拆除胎架全过程的监控。通过对该网格结构的铸钢节点位移观测和有限元分析,得到如下结论:
a.拆除胎架的过程和拆除完毕后铸钢节点位移没有出现较大的突变。但是7、8号铸钢节点的位移较大,值得注意。
b.距离支座的越大,位移越大。7、8号铸钢节点的位移基本上要比其他铸钢节点的位移大3倍以上,应该对这2个节点进行约束。建议将这2个节点与网格结构内部的土建结构连接,约束这2个节点。
c.结构是空间结构,应该给于结构整体稳定性首要重视。拆除胎架后后,结构稳定。
结构是多次超静定结构,相连节点出现了相对的位移,势必对杆件的内力会重新分布,对结构的稳定性有着不利的影响。即位移过大,会造成结构的失稳。节点位移的监测是施工过程中重要的一个环节。
参考文献
[1]曾绍明,杨淑靖.空间网壳的位移观测[J].测绘技术装备,2003,4(5):31-32.
[2]钱若军,王建,曾银枝.网壳结构稳定分析的建模[J].建筑结构学报,2003,24(3):10-15.
基于位移的框架结构抗震设计方法 篇5
结构抗震设计的主要目的是针对未来强震,从工程上着眼,力求在最经济的条件下使机构具有足够的抗震性能,以保证人民的生命财产安全。结构抗震设计理论研究以机构动力学和工程学为基础,研究内容涵盖建筑材料、地基的动力性能、结构能力反映、结构的弹塑性及脆性破坏机制以及结构可靠性理论和工程设计等领域。
抗震理论的设防标准受社会经济发展条件的制约。过高的设防标准,是用过大的经济投资,换取高度的抗震效果;而过低的设防标准,则是用过低的抗震安全性能,减少当前的经济投资,但是增加了未来更大损失的风险。随着我国经济力量的发展,抗震设防水平将大力提高,以换取更大的安全。
1 抗震理论的发展[1,2]
现代抗震理论设计理论从20世纪初才开始建立起来,大致经历了以下过程:
1)静力理论。
静力理论认为地震对工程设计的破坏是由于地震产生的水平力在建筑上所作用的结果。静力法理论假定结构为嵌固在地面上的刚性结构,结构上任一质点的加速度等于地面运动的加速度,表达式为P=Wαmax/g=KW,其中,P为水平地震力;K为地震系数。显然这种设计大大增加了结构的刚度,在这种设计理念之下,结构的高度和跨度都受到严格的限制。静力法理论的缺点是没有考虑结构本身的动力特性,因此容易引起对地震活动的误解,从而不能准确判断在给定地震作用下的抗震能力。
2)反应谱理论。
反应谱理论考虑了结构的动力特性与地震的动特性之间的关系,同时又保持了原有静力理论形式。反应谱是描述地面运动及其结构相应的实用工具,作为地震工程的一个核心结构,反应谱提供了一种方便的手段来概括所有可能的线性单自由度体系对地面运动的某个特定分量的峰值反应。
反应谱方法利用了结构的振动特性(周期、振型和振型阻尼比)和用反应谱所表征的地面运动的动力特性,但是对结构分析采用的是静力学方法,因此反应谱方法是一种拟动力分析。
3)动力学理论。
动力学又称时程分析,这种理论把地震作为一个时间过程,选择能够反应地震及场地特征的地震加速度时程作为地震动输入,从而可以计算出每一时刻结构的地震响应。与反应谱方法相比,动力学方法具有更大的精确度,而且在给定的结构恢复力模型基础上能够获得结构非弹性阶段的响应。
然而,时程分析是一项极其复杂的计算工作,分析时往往需要更详尽并具针对性的场地信息,这一点在很多的实际工程场景中是很难实现的,另外,时程分析会输出每一时刻的结构位移和内力响应,对于这些信息的统计和分析需要花费很大的精力,并难以形成直接指导结构的信息。因此时程分析虽然是更加真实的结构动力学分析,但是难以满足大部分规范要求和工程设计要求,应用面难以扩展。
4)基于性能的抗震设计理论。
基于性能的抗震设计,是通过设计使结构在不同的水准地震作用下的响应难以满足预期的抗震性能指标,使结构遭受地震作用时具有确定的安全性能,更有效、可靠地抵抗地震。这种方法要求在结构设计中从以往只注重结构安全,向全面注重结构的性能、安全和经济等诸多方面发展。
基于性能的抗震理论设计理论是以结构抗震分析性能分析为基础,根据设防标准的不同,将结构的抗震性能划分为不同的等级,设计者可以根据具体情况的不同,确定合理的抗震性能目标。目前常用的基于性能的设计方法有能力谱法、等效位移系数法、N2法和直接基于位移的方法。
2 多级设防目标的基于位移的抗震设计方法
我国现行的《建筑抗震设计规范》对建筑结构采用“三水准、两阶段”方法作为抗震设防目标,其要求是“小震不坏、中震可修、大震不倒”。即“一般情况下,遭遇第一水准烈度(众值烈度)时,建筑处于正常的使用状态,从结构分析角度,可视为弹性体系,采用弹性反应谱进行弹性分析;遭遇第二水准烈度(基本烈度)时,机构进入非弹性工作阶段,但非弹性变形或结构体系的损坏控制都在可修复的范围;遭遇第三水准烈度(罕见地震)时,结构有较大的非弹性变形,但控制在规定的范围内,以免倒塌。
为了实现以上的设计要求,在设计过程中可以分为两个阶段:1)根据小震下结构的目标位移确定刚度需求,并根据目标屈服位移计算结构的强度要求,取第一水准的地震动参数,由第一水准的目标位移计算结构的屈服基底剪力。然后将地震作用效应和其他作用效应进行组合,对构件截面进行配筋设计。2)根据结构的周期及屈服位移确定结构的延性需求。取第三水准的地震动参数,计算结构的延性需求。通过量化的变形能力指标对构件进行延性设计。
由此可见,第一阶段的设计,是通过控制结构的刚度来实现第一水准的目标位移,以控制“小震不坏”的变形;第二阶段的设计,是通过量化的变形指标对构件进行延性设计,利用结构的变形能力满足“中震可修、大震不倒”的要求。
至于相关的参数设计可以参照相关的文献[3,4]。
这种直接基于量化的性能水平有效地实现了多级性能目标的抗震设防,并且概念简单,计算简单,在实际的工程中可以广为应用。
3结语
本文介绍了结构抗震理论的发展历程和相关的研究理论,着重以基于性能的抗震设计理论为基点,考虑了直接基于位移的性能的理论,给出了实现“三水准”的两阶段设计方法,这种设计方法遵照国家的建筑设计规范,计算简单,可以在工程应用中得到广泛推广。
参考文献
[1]柳炳康,沈小璞.工程结构抗震设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2005.
[2]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
[3]李应斌,刘伯权,史庆轩.基于结构性能的抗震设计理论研究与展望[J].地震工程与工程振动,2001,21(4):73-79.
[4]Chopra.结构动力学(理论及其在地震工程中的应用)[M].谢礼立,译.北京:高等教育出版社,2006.
[5]郭磊,李建中,范立础.直接基于位移的结构抗震设计理论研究进展[J].世界地震工程,2005,21(4):157-164.
非线性结构荷载—位移数值拟合 篇6
1.1 模型提出
Richard-Abbott模型是Richard & Abbott于1975年建立的通过三个参数来描述应力应变关系,模型如图1所示,由三个参数表示的应力应变关系由下式表示:
其中,Ep为塑性模量;n为形状参数;E1=E-Ep;σ0为参考塑性应力。
以Richard-Abbott模型为基础,得到荷载位移(F—Δ)关系为:
其中,k0为体系的初始刚度;kh为渐近线的斜率;F0为F—Δ曲线的渐近线(强化线)与F轴的交点;n为形状参数,控制了从弹性向完全塑性性能转变时的突变程度(随着n值的增加突变程度增加)。
1.2 模型应用
为了证明式(2)能够用来拟合荷载位移曲线,现取文献[3]中的BX-3试件的水平单调加载作用下的荷载位移曲线来拟合。模拟复合承载墙体试验曲线的参数值见表1,BX-3试件的试验值和拟合值的比较如图2a)所示。
由图2a)可以看出,当Δ≤Δmax时,利用式(2)拟合荷载位移曲线时,拟合值与试验值比较吻合;当Δ>Δmax时,拟合值和试验值吻合不是很好。Δ>Δmax那一段曲线可以由多项式表示,因此我们可以在拟合时将曲线分为两段。如图2b)所示为BX-3试件的荷载位移曲线的分段拟合,其中采用式(2)拟合时的参数如表2所示。
后一段采用最小二乘拟合法拟合而成的二次三项式:F=0.003 5Δ2-0.708 3Δ+46.189 1。
2 低周反复加载滞回曲线
2.1 模型提出
滞回曲线模型如图3所示,曲线分为四段,并且每段都可以通过公式来控制。
在文献[4]提出的计算公式的基础上引入两个形状参数t1和t2,用式(3)来表示滞回曲线模型。
F=L(Δ)+S(Δ) (3)
滞回环的每一段的计算公式如下:
其中,FR1,FR2均为零位移时的荷载;kR为卸载和加载段间的斜率;F1,F2分别为最大、最小荷载;Δ1,Δ2分别为F1与F2和相对应的位移;t1,t2均为两个形状参数,分别控制加载和卸载段曲线的形状。
参数FR,t1和t2的值必须以试验结果为基准。实际上,系数t1和t2考虑带有不同幅度和形状的滞回环。t1的值增大时加载段的陡度就会增加。t2规定了卸载和加载段间的陡度的差异,因此它可以准确地表示滞回环的幅度。
2.2 模型应用
南京工业大学轻型钢结构研究所进行了轻钢龙骨足尺房屋试验,试验在江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室完成。立龙骨均为C型冷弯型钢,规格为C180×70×20×2.0,间距600 mm;上下导轨为冷弯槽钢,规格为U184×60×2.0;墙体内侧为纸面石膏板厚12 mm;外侧为OSB板厚15 mm;墙体结构板与龙骨连接的自攻螺钉间距外周为150 mm,内部为300 mm;中间立柱为单根C型冷弯型钢。图4为其在低周反复试验下的滞回曲线。
为了利用上述模型公式模拟轻钢龙骨房屋的滞回曲线,本文用MATLAB7.1编制了计算滞回曲线的程序。计算时调整参数,可得到不同构造的滞回曲线。 程序中所用的参数如表3所示,拟合结果如图5所示,试验与数值拟合的耗能比较如图6所示。
由图5及图6可以看出,数值拟合结果比较能反映房屋刚度退化以及滞回环“捏拢”现象,但是按公式拟合计算所得的耗能值与试验的耗能值相比存在一定的误差。
3 结语
1)对单调加载时的荷载—位移曲线进行拟合时,采用Richard-Abbott模型只能模拟上升段,不能准确的模拟下降段,因此提出采用分段拟合:上升段采用Richard-Abbott模型公式;下降段采用最小二乘拟合法。
2)对低周反复的滞回曲线进行拟合时,用公式计算出的滞回曲线与试验曲线相比,虽然能够模拟出退化和捏拢现象,但在耗能上还是存在很大的误差。因为所采用的拟合公式是根据一圈滞回环的最大和最小荷载点、位移等于零时的荷载点、位移等于零时的斜率以及控制加载段和卸载段形状的参数来控制的,所以对于拟合值来说,每一圈的捏拢退化程度都基本是一样的,因此与试验值存在一定的误差。
摘要：针对在分析非线性结构体系的荷载—位移关系时数值拟合的重要性,运用Richard-Abbott模型和滞回模型对单调加载荷载位移曲线和低周反复加载滞回曲线进行了拟合,从而反映出房屋刚度退化及滞回环捏拢现象。
关键词：非线性结构,数值拟合,Richard-Abbott模型,滞回模型
参考文献
[1]Richard,R.M.,Abbott,B.J..Versatile elastic-plastic stress-strain formula[J].J.Eng.Mech.DIV.Am.,1975,101(4):511-515.
[2]Della Corte,Luigi Fiorino.Seismic Behavior of Sheated Cold-Formed Structures:Numerical Study[J].ASCE,2006,132(4):558-569.
[3]郭丽峰.轻钢密立柱墙体的抗剪性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004.
[4]Dolan.J.D.A numerical model to predict the dynamic responseof timber shear walls[J].Timber Engrg,1991(4):267-274.
结构位移比 篇7
建筑结构的抗震要求是具有足够的刚度和承载力以抵御小震，具有足够的变形和耗能能力以抵御大震。震害、实验和理论分析都表明，变形能力不足和耗能能力不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因。结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应和构件的变形能力有关，用位移控制结构在大震作用下行为更为合理。在基于力的抗震设计基础上，这种新的设计方法以预期的结构位移反应为设计目标，实现了结构在设计地震作用下预期的性能要求，以结构、构件的变形能力设计为依据，设计者可更好地控制结构在地震作用下的行为，防止结构由于变形能力不足而破坏。
基于位移的抗震设计的基本思想是基于“投资—效益”准则和强调结构“个性”，即在未来抗震设计中，在不同强度水平地震作用下，能够有效地控制建筑的破坏状态，使建筑物实现明确的不同性能水平，从而使建筑物在整个生命周期内，在遭遇可能发生的地震作用下，总体费用达到最小。
2 基于位移的抗震设计方法分析
基于位移的抗震设计是一种以变形位移、层间侧移角为性能指标，进行结构及构件的设计。在这种方法中，位移是已知的给定输入量，而强度和刚度则是设计的输出结果。基于位移的抗震设计方法目前大致可以分为用位移延性系数设计的方法、能力谱设计方法。
2.1 按延性系数设计的方法
延性系数法是利用的延性(对应结构或构件的变形能力)和要求的延性对应结构或构件的需求延性，即目标延性的计算方法，将延性需求和可资利用的延性作对比，以评价结构的抗震性能并用于考虑扭转影响的延性结构基于位移的设计。延性反映了结构或构件非弹性变形的能力。这种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降。延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性。其中结构延性又称为整体延性，构件延性和截面延性又称为局部延性，结构的整体延性与结构中的构件的局部延性密切相关。结构延性可以用顶点位移延性或层间位移延性来表示构件延性与塑性铰区长度和截面延性等有关截面延性与其几何形状、混凝土强度、轴压比、纵筋配筋率和含箍特征值等因素有关。
衡量延性的量化设计指标，最常用的是曲率延性系数和位移延性系数，二者的定义为截面构件屈服后的曲率位移与屈服曲率位移之比。设计中一般关心的是最大曲率位移延性系数，用公式表示如下：
式中，φH和φy分别表示塑性铰区截面的极限曲率和屈服曲率;ΔH和Δy分别表示延性构件的极限位移和屈服位移。
按延性系数设计的方法实际上是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系，由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变，从而使得构件具有要求的延性系数。使用此种方法时必须认识到所选择的位移延性水平将直接影响到结构的地震破坏程度。
用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力最大的问题是如何定义结构和构件的屈服位移和极限位移。不同的定义得到的延性系数可能相差很大。通常屈服位移是指临界截面受拉钢筋屈服时的位移，极限位移是指临界截面最外边缘受压混凝土达到极限压应变时的位移。然而在具体计算时，对屈服位移和极限位移存在不同的理解，特别是当荷载—位移曲线无明显的转折点时以及荷载—位移曲线有下降段时。
2.2 能力谱法
能力谱设计方法的基本思想是：对己设计好的结构进行静力弹塑性分析，将分析的结果基底剪力—顶点位移关系曲线转化成一条能力谱曲线(加速度Sa与位移Sd关系曲线)，同时将设计地震反应谱曲线转化成一条需求谱曲线。将这两条曲线放入同一坐标系中，若两曲线相交，可以求得交点(性能点)的位移，此位移称为结构的目标位移。同时根据图示的方法可以直观的评价结构在给定地震作用下的性能。若两曲线无交点，说明结构需要加固处理或需要重新设计;如交点存在，可以根据交点的坐标反推出结构所处的状态。能力谱法计算步骤如下：
(1)按规范进行结构承载力设计;
(2)用静力弹塑性分析方法计算结构的基底剪力Vb与顶点位移Un。
(3)建立能力谱曲线。
对于高度不是很高、地震反应以第一振型为主的建筑结构，可以用等效单自由度体系代替原多自由度体系分析结构。因此，可以按下式将Vb-Un曲线转换为谱加速度Sa与谱位Sd关系曲线。
(4)建立需求谱曲线，提高结构和构件的延性水平。
结构的延性一般用结构顶点的延性系数表示：
式中：Δμq-结构顶点屈服位移;
μ-结构顶点延性系数;
Δμz-结构顶点弹塑性位移限制。
一般认为，在抗震结构中结构顶点延性系数μ应不小于3～4。结构的顶点位移△是由楼层的层间位移Δμi累积产生的，而层间位移又是由结构构件的变形形成的。因此，要求结构具有一定的延性就必须保证结构构件有足够大的延性，主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土受压或剪切破坏以及钢筋锚固失效和粘结破坏。
为提高结构和构件的延性水平，避免脆性破坏，应主要注意以下两点：
a.轴压比限制。轴压比是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土边缘先达到其极限压应变的主要指标。根据试验研究表明，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不甚明显。所以，抗震结构应限制偏心受压构件的轴压比。
b.剪压比限制。现行的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式，是基于斜截面上箍筋基本能达到抗拉屈服强度，其受剪承载力随配箍特征值的增长呈线性关系。试验表明，配箍特征值过大时箍筋不能充分发挥其强度，构件将呈腹部混凝土斜压破坏;同时剪压比对构件变形性能也有显著影响，因此限制剪压比，实质上也是对构件最小截面的要求。
(5)检验结构的抗震能力。
将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一坐标系中，若两条曲线没有交点，表明结构的抗震能力不足，预期结构会发生不可修复的破坏或倒塌，需要重新设计：若两条曲线相交，表明结构能够抵抗该地震作用，交点对应的位移即等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移(地震需求位移)。将谱位移按式转换为原结构的顶点位移，根据该位移在原结构Vb-Un曲线上的位置，即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、截面边缘混凝土的压应变等，综合检验结构的抗震能力。
与以力为基础和以位移为基础的2种抗震设计方法相比，能力谱方法的特点是将能力和需求用位移与加速度关系由图给出，表征结构性能的4个基本参数(强度、位移、延性、弹性刚度)分别由加速度Sa，位移Sd，延性系数U和弹性周期T表示，能力与需求图能清晰地表示出结构的抗震能力与其地震响应的关系，概念明确，设计参数容易控制。当知周期和目标延性时，用能力谱方法进行的估算就是以力为基础的设计过程;当已知目标位移和延性时，用能力谱方法进行的估算就是以位移为基础的设计过程，说明用能力谱力法可以适应以力为基础和以位移为基础的2种抗震设计的需要。
小结
随着高层与超高层建筑的不断出现，震害对这些建筑的威胁越来越严重，对高层建筑的抗震分析也越来越具有广泛而现实的意义。当前，相应的工程时间研究者已取得很多成果，如弹塑性分析方法、能力谱方法等，但是在应用方面还存在许多不足，因此，需要设计和工程实践人员不断研究。
摘要：简要介绍了高层建筑中基于位移的抗震设计理念, 并结合自身工作实践着重分析了基于位移的抗震设计的基本方法及其设计过程。
关键词：基于位移,实践,抗震设计
参考文献
[1]姜锐.建筑结构基于位移的抗震设计方法研究[J].太原科技大学学报, 2005.
[2]吴波.直接基于位移可靠度的抗震设计方法中目标位移代表值的确定[J].地震工程与工程振动, 2002.