《高等鋼結構原理》第3章塑性設計第4章抗震性能作業(yè)

目錄1 第3.1b題 錯誤!未找到引用源。)可看出，屈曲約束支撐的滯回曲線相對飽滿得多，其耗能能力遠遠大于普通支撐。與普通支撐及其他類型的阻尼器相比，屈曲約束支撐具有如下特點：屈曲約束支撐屬于一種位移相關的金屬屈服型阻尼器，其延性和滯回耗能能力高，兼有普通支撐（抗風和小震條件下提供抗側剛度）和耗能構件（中震和大震條件下提供阻尼）的雙重作用。屈曲約束支撐在屈服前如同普通鋼支撐一樣工作，能夠為主體結構提供很大的線彈性抗側剛度，可用于抵御小震及風荷載作用的情況，滿足規(guī)范變形要求；屈曲約束支撐受拉和受壓都能發(fā)生屈服，屈服后，支撐的變形能力強，滯回性能好，強震作用下具有更強和更穩(wěn)定的能量耗散能力。具有較高承載能力。屈曲約束支撐由于自身的構造特點，受壓、受拉都能發(fā)生屈服，屈曲約束支撐的軸向承載能力僅取決于支撐芯材截面積和芯材強度設計值，與支撐長細比等系數(shù)無關。起到結構“保險絲”的作用。強震作用下，屈曲約束支撐在主體結構構件發(fā)生屈服之前先行屈服耗能，在結構體系中起到類似于可更換的“保險絲”的作用，可保護主體結構免遭地震破壞，強震后可以方便更換損壞支撐。減小相鄰構件受力。屈曲約束支撐克服了普通支撐受壓屈曲的缺點，支撐受壓與受拉承載力差異小，可大大減小與支撐相鄰構件的內力（包括基礎），減小構件截面尺寸，降低結構造價。設計靈活。屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，剛度和強度容易調整，在非線性分析中可以方便地采用雙線性滯回模型模擬防屈曲約束支撐的滯回曲線，可以方便地進行屈曲約束支撐結構體系的彈塑性分析。力學性能可控且穩(wěn)定，同時具有良好的耐久性（包括耐老化性能、疲勞性能），施工簡便，便于維護。屈曲約束支撐研究與設計現(xiàn)狀試驗與理論研究根據國內外的研究實驗可以看出，屈曲約束支撐不僅能夠提供給結構足夠的剛度，并且能夠在屈曲之后耗散地震輸入能量，提供給結構附加阻尼，減少其他構件的塑性變形。日本對于屈曲約束支撐的研究最早，Kimura和Mochizuki（1980年）等首先開始對屈曲約束支撐進行試驗，提出了這種能耗散能量但不會屈曲的支撐構件的概念。Watanabe等做了五組屈曲約束支撐的實驗，定義的屈曲約束支撐的概念，并且闡述了其在地震荷載下的滯回性能，針對約束套管失穩(wěn)與鋼芯屈服荷載的對應關系提出了建議，為保證鋼芯能夠充分發(fā)揮穩(wěn)定的滯回性能，要滿足二者之比大于1.5。Fujimoto等對約束單元為矩形鋼管內填砂漿的屈曲約束支撐進行了理論和實驗的研究。在保持內核單元不變的情況下，通過改變約束單元的外徑和壁厚模擬不同約束條件來考察支撐的性能。Sridhara在前人屈曲約束支撐原理的基礎上提出了帶套鋼芯承載壓桿，通過套管約束鋼芯的彎曲而提高構件的抗壓承載力。Kuwahar提出約束鋼管內置的屈曲約束支撐，其在內核承受反復荷載的時候同樣起到了約束其失穩(wěn)的作用。Iwata等對日本四種產品的屈曲約束支撐進行實驗對比。1994美國對于屈曲約束支撐的結構體系也進行了研究和應用。Clark.P等進行了大比例屈曲約束支撐鋼框架的實驗，為該體系在美國的首次工程應用奠定了基礎，后來的一些系列研究成果被美國聯(lián)邦緊急救援署的建筑物抗震推薦條款（FEMA450）所采用。美國加州大學伯克利分校今年來也作了一些無粘結支撐在地震荷載下的足尺實驗，以驗證屈曲約束支撐的性能能并使其在美國得到推廣使用。在國內，李國強、孫飛飛等通過對TJ型屈曲約束支撐在鉸接鋼框架中的應用研究，認為屈曲約束支撐的應用將顯著提升結構的抗震性能，并且能提供穩(wěn)定的滯后性以及消能能力，在強震下尤其能體現(xiàn)其卓越特性，并給出了幾種建議布置方案。郭彥林等對防屈曲支撐的構造和受力機理進行了理論分析。在理論分析的基礎上，利用有限元軟件進行數(shù)值模擬計算。通過對比分析提出了約束比、內核板件寬厚比、初始缺陷、間隙等參數(shù)和連接剛度等參數(shù)的合力取值。趙俊賢，歐進萍等提出了一種新型全角鋼式屈曲約束支撐構件(ABRB)，并設計了三個試件對其進行了擬靜力試驗研究，考察了支撐端部轉角以及基本構造參數(shù)等各因素對其滯回性能的影響。實驗表明，這種構造方式能夠有效限制支撐的端部轉角，并能最終壁面內芯外伸段發(fā)生局部壓彎破壞模式。在臺灣地區(qū)，2001年臺灣蔡克銓等根據屈曲約束支撐的滯回性能，開發(fā)出一種雙套筒雙內核屈曲約束支撐，每個套筒各自偏心內插一片內核單元，組合后的兩內核單元端部進行連接，并對這種新型的屈曲支撐進行了理論和實驗分析。陳正誠研制出利用低屈服點作為核心構件的屈曲約束支撐，并對其進行了性能試驗和裝有這種屈曲約束支撐的三層鋼框架模擬地震振動臺試驗研究。蔡文章，陳清祥等利用消能減震技術來適當降低抗震措施的抗震加固設計，在多遇地震下采用等值線性分析方法來計算結構的附加阻尼比，并對設置阻尼器后的加層結構進行在罕遇地震下的靜力非線性分析。加層結構采用消能減震技術進行抗震加固后，不但可大大提升建筑物的抗震能力，并可適當降低抗震措施，減少加固費用，降低施工的復雜度，使建筑結構的抗震加固做到抗震安全、經濟、合理、有效和實用。設計現(xiàn)狀和工程應用日本地震反應控制委員會于2001年編寫了《被動減震結構設計施工手冊》。針對實際應用中的屈曲約束支撐等阻尼器的構造、性能、實驗方法和管理建立了相應的理論體系，對今后減震技術的發(fā)展與普及有著重要的意義。美國鑒于屈曲約束支撐的快速發(fā)展亦制定出相應的設計標準。2001年加州結構工程師協(xié)會（SEAOC）與美國鋼結構設計協(xié)會（AISC）提出屈曲約束支撐的規(guī)范草案，其內容包括了支撐的基本力學特性與設計方法，并針對這種支撐和設置帶屈曲約束支撐的框架分別制定完整的實驗要求和實驗方法。此外，在2005年對本國《鋼結構建筑抗震設計規(guī)程》進行了修改，較以往的版本增加了關于屈曲約束支撐鋼結構的設計，對屈曲約束支撐的設計、計算、試驗方法以及連接的做法等均作了詳細的規(guī)定。在我國大陸，防屈曲約束支撐的研究雖起步較晚，但成果匪淺。國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》已有隔震和消能減震的內容，給出了消能減震結構的設計要點、消能部件附加給結構的有效阻尼比確定方法等原則性條款。此外，我國針對消能減震技術已制定出國家標準《建筑消能減震技術規(guī)程》。其中包括了消能減震建筑結構的基本要求、結構分析、消能器的技術性能、連接與構造等相關規(guī)定，為我國的消能減震技術的推廣給予指導意義。國內外相應地提出了很多其他設計方法和原則。例如美國主要根據FEMA450的等效側向力設計步驟來設計。RichardJ.Balling研究了非線性時程分析法優(yōu)化設計方法與等效側向力法在低層BRB框架設計中應用的對比。AnHongNguyen等通過對6層、10層以及14層BRB框架結構進行了分析，研究了Pushover方法以及根據質量分配的Pushover方法，對比這兩種方法在BRB框架設計中的精確性。Kim和Seo提出一種基于位移的設計方法，并基于3層和5層BRB鋼框架結構與時程分析進行對比，證明其方法在低層鋼結構的適用性和便利性。Aiken等探討了關于屈曲約束支撐的設計流程，并以此流程設計出一設計有屈曲約束支撐的三層框架，同時也設計了一相同立面尺寸的抗彎框架以作比較，結果顯示帶有屈曲約束支撐的框架抗震特性要比抗彎框架的性能更為優(yōu)越，同時用鋼量僅為抗彎框架的51%。在工程實踐方面，特別是近年來，由于屈曲約束支撐良好的抗震性能，將其作為支撐或阻尼器使用在高層建筑結構中，在日本、美國、加拿大、我國臺灣等地得到了越來越廣泛的應用?；谌毡敬罅康膶嶒灮A，在1995年神戶地震后，屈曲約束支撐體系在日本大量應用，目前已經超過300棟建筑中被使用。工程涉及體育場館、寫字樓等建筑物，尤其是高層的鋼結構。目前全球擁有專利權的制造廠商，幾乎都集中在日本。例如日本竹中公司廣島分公司辦公樓于1971年建成。由于日本抗震規(guī)范的修訂，使該建筑不滿足抗震設防要求，在1998年利用低屈服點鋼材制作的屈曲約束支撐進行了加固。屈曲約束支撐在2-9層的每一層的四角窗戶垂直設置，每層設計裝有32個屈曲約束支撐。美國自1998年以來在其高烈度地震區(qū)如猶他州、加州等地區(qū)將屈曲約束支撐用于多出新建工程和抗震兼顧工程。目前為止，美國已經建成或正在建造的使用屈曲約束支撐的結構達30余棟。目前，隨著應用上的廣泛需求，屈曲約束支撐在許多國家和地區(qū)進行了工業(yè)化生產，并可以根據實際需求進行工廠加工定做。例如2000年美國加州大學戴維斯分校植物與環(huán)境科學大樓，其結構采用了132根屈曲約束支撐作為抗側力構件，成為美國第一棟使用屈曲約束支撐的結構。建筑中共使用了132個由加利福尼亞大學研制的屈曲約束支撐。通過運用ETABS進行的動力分析表明，屈曲約束支撐能很好的控制結構的扭轉響應。由于屈曲約束支撐能夠提高結構剛度和延性，并且造價經濟，一般可以節(jié)約造價30%-50%。因此屈曲約束支撐結構不僅可用于新建建筑物中，還可應用在已有結構的抗震加固改造。國內也涌現(xiàn)許多屈曲約束支撐的工程，例如北京銀泰中心大廈，主塔樓為63層的全鋼結構，結構總高度為249.5m。其設備層的伸臂桁架斜桿用屈曲約束支撐代替，有利于大震時吸收地震能量。1999年臺灣地區(qū)9.21大地震以后，對即將完成的臺北縣政府行政大樓進行了重新的抗震驗算，發(fā)現(xiàn)其抗震能力不足，因此選擇加裝屈曲約束支撐來增加結構的抗側剛度以及消能能力，以提高結構的抗震等級。該大樓共加裝了562根屈曲約束支撐。第4.4b題題目：目前各國抗震規(guī)范中普遍采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”設防水準，與之相適應的抗震設計存在哪些局限性？新興的基于性能的結構抗震設計有哪些主要優(yōu)點？進一步綜述基于性能的結構抗震設計的基本思想、基本步驟、結構性能水準和抗震設防水準、與之相適應的結構計算分析方法、現(xiàn)階段實際工程應用還存在的困難、國內外研究和實踐的進展。解答：目前的抗震設計的局限性目前的抗震設計中還存在以下局限性：設計目標為保證生命安全。具體實施的抗震設計方法的實質仍主要是采用基于強度(或承載力)的設計方法，難以對建筑物進行經濟性評估；線性狀態(tài)的假定不符合實際?，F(xiàn)行的建筑結構抗震設計方法是基于承載力輔以層間位移角驗算的設計，這種設計方法都假定結構處于線性狀態(tài)，這與實際的非彈性狀態(tài)下考慮時間歷程的分析結果不相一致?；诔休d力的抗震設計不能預估結構屈服后的變形能力及在大震時的實際行為；三水準抗震設防思想規(guī)定比較模糊?！按笳鸩坏?，中震可修，小震不壞”的三水準抗震設防思想規(guī)定比較模糊，在實際設計中很難控制；“不壞”、“可修”、“不倒”主要針對主體結構。在大的地震作用下，建筑物的非結構構件破壞得不到有效控制。雖然結構的主要構件可能沒有受到嚴重損害，但是，往往因為維持建筑物正常運行的非結構構件等喪失功能而造成巨大的財產損失；目前所廣泛采用的反應譜法仍存在許多不足之處。首先，反應譜法不能有效地考慮強震時結構的非線性行為；其次，不能考慮基礎與土之間的動力相互作用；再次，不能考慮地震動持時長短的影響；并且，反應譜理論只能給出結構的最大地震反應，不能給出結構反應的全過程，以及結構各構件的破壞機理；此外，反應譜法對于非比例阻尼結構以及不規(guī)則結構的分析效果還不理想。時程分析還不能廣泛應用。時程分析所用的地震波為實際的強震記錄或人工地震波，結構對不同的地震波輸入的敏感度不同，輸入后的反應將會有較大的差異?；谛阅艿慕Y構抗震設計的優(yōu)點性能設計應該是選擇一定的設計標準，恰當?shù)慕Y構形式，合理的規(guī)劃和比較，保證建筑物的結構與非結構的細部構造設計，控制建造質量和長期維護水平，使得建筑物在使用壽命周期中遭受一定地震力作用下，結構的破壞不超過一個特定的極限狀態(tài)。其具有以下優(yōu)越性：有利于新結構形式的發(fā)展有利于新材料的研發(fā)針對建筑個體制定設計、維護、施工方案,建筑物能經濟有效運行.業(yè)主能清楚結構所能達到的抗震性能.從性能設計的特點來看，基于性能的抗震設計是一個十分理想的目標，所設計的結構將會更經濟、合理，且對應于不同的設防水準結構的性能是可預知的?；舅枷牒突静襟E基本思想基于性能的抗震設計是指根據一系列性能目標來確定設計準則的設計，性能目標可以通過任意反應參數(shù)指定的極限值來量化，結構在未來地震發(fā)生時能夠達到預期的性能目標，結構破損狀態(tài)及其造成的經濟損失、人員傷亡等可以控制在預期的范圍內?；静襟E根據業(yè)主要求和經濟條件確定性能目標；根據性能目標進行結構設計；對以設計的結構進行結構性能評估。若滿足性能目標，說明結構達到了預期性能；若沒有，重新進行結構設，重新評估，直至達到結構的性能功能目標。性能目標性能目標規(guī)定了不同設計地震水平下，結構應達到的性能水平，包括地震水平、結構性能水平及結構性能目標的確定。地震水平通常以一個基準期內的某個超越概率來表達，世界各國的地震水平設定各不相同，我國規(guī)范的三個地震水平，即“大震”、“中震”、“小震”，其50年內的超越概率分別為2%-3%、10%和63.2%。性能水平指建筑物能承受的最大破壞程度，包括結構構件和非結構構件的破壞。綜合考慮結構的安全、經濟和社會作用，各國對性能水平有不同的規(guī)定。美國規(guī)定了“正常使用”、“立即人住”、“生命安全”和“防止倒塌”四種水平，日本規(guī)定了“正常使用”、“易修復”和“生命安全”三種性能水平，我國給出了“不壞”、“可修”、“不倒”三種性能水平。基于性能的設計中首先需要將結構的性能水平量化。結構的損傷程度通過結構的反應參數(shù)來確定，可具體表現(xiàn)為應力、變形(位移)、能量耗散指標、加速度等反映參數(shù)指定的極限值；應力或內力反映結構彈性反應的性能水平。性能目標的確定性能目標可以是力、位移(應變)、能量、加速度等反應參數(shù)的極限值。其中，位移(應變)反應能更好地反應結構損傷，因此，基于位移的設計成為了基于性能設計的主要方法。影響結構性能的因素很復雜，用一種反應參數(shù)為基準的性能設計，必須對結構各種不同性能進行評估。性能目標的確定即不同地震水平下結構反應參數(shù)的極限值確定，需要綜合考慮結構功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復重建等因素。設計方法承載力設計方法承載力設計方法采用基于力的設計，結合多性能水平的位移與變形評估。臺灣規(guī)范草案的性能設計采用此方法。基于位移的設計方法結構位移與變形能較好地反映結構性能，目前基于性能設計方法主要是基于位移的設計，包括直接基于位移法和能力譜法。直接基于位移法直接基于位移法從目標位移出發(fā)，根據變形與剛度或者位移與強度的關系，即非線性反應譜，直接求解結構剛度和強度，完成結構設計。直接基于位移法需通過反復迭代計算，直至結構滿足性能評估。能力譜法能力譜法的基本思想是建立兩條相同基準的譜線，一條是由結構的Pushover分析得到的底部剪力一頂點位移曲線轉化而來的譜加速度一譜位移曲線，即能力譜曲線，另一條是由地震動輸人得到的加速度反應譜轉化而來的需求譜曲線，把兩條曲線在同一坐標系中繪出，兩條曲線的交點即為結構的性能點，交點位移即為目標位移，將得到的目標位移反變換為實際的多自由度體系的頂點位移，根據結構的底部剪力一頂點位移曲線，得到結構的底部剪力，完成結構設計.能量設計方法能量設計方法的基本假設是結構及內部設施的破壞程度由地震輸人能量和結構消耗能量共同決定。由于參數(shù)的選取、能量的計算方法等方面沒有一個確定的、合理的標準，能量設計方法有待進一步研究。目前存在的困難基于性能設計被接受并廣泛使用之前，還有很多問題需要進一步研究，如性能目標的合理選擇、實現(xiàn)多性能目標的通用設計方法發(fā)展、大震作用下結構的地震需求確定、結構非線性分析等?；谖灰圃O計中的側移模式選取、等效單自由度體系的轉化、各性能目標限值的確定以及高振型影響的忽略等，都直接或間接地影響基于位移設計方法的精確性，還需要不斷地研究完善。性能設計的實質是要正確地預測結構在各種地震作用下的工作性能，與傳統(tǒng)方法的不同在于結構屈服后的非線性變形分析。正確地確定大震作用下結構的變形需求及完成非線性分析是性能設計方法的關鍵。合適的結構模型與地面運動描述、靜態(tài)非線性分析方法的改進、分析工具可靠性、非結構構件強度與剛度的確定、高階振型的影響、土-結構相互作用等因素影響計算結果的正確性。國內外研究進展美國基于性能的研究報告SEAociVison2000、FEMA273與ATe40奠定了基于性能抗震設計的基礎。報告中對基于性能設計方法的基本框架與步驟、結構構件的性能水平、地震動的風險水平、抗震設防目標及相應的結構構件變形限值、抗震設防措施等內容均有詳盡的論述，為結構性能設計提供了規(guī)范依據。最近，美國部分城市頒布了基于性能的高層建筑抗震設計規(guī)范，進人基于性能的高層建筑抗震設計階段。臺灣建筑與結構研究學會2003年提出并編制設計方法草案，規(guī)定了不同使用要求下的設計目標，詳細介紹了基于性能設計方法流程，包括概念設計范圍、場地可行性要求、初步設計時以性能目標為導向的設計方法與結構抗震性能評估等。日本2000年開始實施基于性能的新建筑標準法，采用兩類性能目標及其響應限值和評估標準:最大地震動水平下的生命安全和結構壽命周期內地震動水平下的限制破壞困。我國學者也開展了基于性能的抗震設計理論研究，清華大學的錢稼茹、同濟大學的周定松與呂西林等提出了鋼筋混凝土框架的基于位移設計法。最近，基于性能設計對不同類型結構的研究取得了進展。日本學者給出了不規(guī)則建筑、混合結構建筑及采用新材料的建筑考慮非彈性變形限值的基于性能簡化設計方法。Rahman等人則用基于性能的設計方法完成了預制混凝土混合框架結構的性能評估。Filiatarult用直接基于位移的方法討論了木框架結構基于性能的抗震設計。LiYue等人提出地震脆弱模型用來預測輕型框架木結構住宅建設在不同地震震害下的隨機反應，完成木結構性能評估。臺灣學者Lin和Chang提出不用迭代直接基于位移的設計方法，將此方法成功用于簡單鋼筋混凝土結構、鋼結構、被動能量消耗系統(tǒng)、非線性粘性阻尼器加固等結構的抗震設計中。同濟大學蔣建指出，位移設計方法更適合于消能減震結構的設計。有學者通過簡單的數(shù)學模型，說明基于“投資一益”準則的性能設計必然得到隔震設計方案，基礎隔震結構設計與基于性能設計思想完全吻合。隨著經濟的發(fā)展和人們需求的不斷提高，基礎隔震結構已成為結構抵抗地震災害的實用控制技術，日本建筑結構研究機構學者給出了基礎隔震結構的基于性能設計方法。未來的抗震設計必將是基于性能的抗震設計，但在基于性能的設計被接受并廣泛使用之前，還有很多研究工作要做。參考文獻張鴻瑋.超高層建筑結構屈曲約束支撐集成優(yōu)化設計.上海，同濟大學，2015.李國強，孫飛飛，胡大柱等．TJ型屈曲約束支撐工程應用分析[J]．建筑結構，2009，39（4）：607-612．劉建彬．防屈曲支撐及防屈曲支撐鋼框架設計理論研究[D]．北京：清華大學，2005.郭彥林，劉建彬，蔡益燕等．結構的耗能減震與防屈曲支撐[J]．建筑結構，2005，35（08）：18-23．蔡文章，陳清祥，潘琪．探討消能減震技