斜向地震作用下框架结构的破坏机制研究

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汶川地震中,框架结构发生了大量的“柱铰”破坏机制,没有实现《建筑抗震设计规范》要求的“强柱弱梁”延性抗震设计原则。分析发生大量柱铰破坏的原因,除了填充墙的影响、楼板与梁协同工作、钢筋的超配的影响等以外,地震作用的多维性是在设计时常被忽略的。规范规定,在设计中为了保证框架结构为“强柱弱梁”破坏机制,设有强柱系数保证梁端先于柱端破坏,但是这一设计只在结构主轴方向进行,没有考虑斜向地震作用为主要作用方向时,梁、柱承载力比值的变化。因此,斜向地震作用下框架结构的破坏机制也需要进一步探讨。  本文按主轴“强柱弱梁”原则设计了一个三层、两个方向各一跨的空间钢框架,进行了多角度(0°、15°、30°、45°)的静力弹塑性推覆仿真分析,同时,进行了三个空间钢框架——0°-多工况输入、45°-多工况输入、45°-单工况输入的振动台试验。  多角度静力弹塑性推覆结果表明:主轴方向加载是梁铰破坏机制,斜向加载是柱铰破坏机制;0°、15°、30°、45°角度加载的框架结构由于多了Y向结构的分担,承载力逐渐增强,但增幅不大;结构X向分担荷载随着角度的增加而减小,Y向框架随着角度的增加分担的荷载逐渐增多,且斜向加载的框架随着角度增大柱端破坏较梁端更加严重,0°加载结构二层形成梁铰破坏机制,30°和45°加载时在结构二层形成了明显柱铰破坏机制,产生了较大的层间侧移;0°、15°、30°、45°角度加载的框架,随着角度的增加框架梁端应变逐渐减小,柱端应变逐渐增加,且至45°时,结构二层梁端和柱端应变均较大,底层和顶层柱端的应变已经不是主要变形。  三个空间钢框架的振动台试验表明:主轴方向地震波输入时,框架结构梁端首先发生破坏,且梁端应力明显大于柱端应力,斜向地震波输入时,柱端首先发生破坏,柱端应力大于梁端应力,与静力仿真结果相同;地震波多工况(即地震波峰值逐渐增大)输入时,随着加速度的不断增加,轴向、斜向地震波输入时框架结构的响应逐渐增大,且45°斜向地震波输入时,框架的承载力在弹性阶段高于0°轴向地震波输入,进入塑性阶段后斜向地震输入下框架结构的承载力下降较快;45°多工况输入框架由于存在累积损伤,结构的承载力低于45°-单工况框架。  以上结果表明,在主轴方向按“强柱弱梁”设计的框架结构在斜向地震作用下的破坏机制不再满足“强柱弱梁”的要求,柱端先于梁端发生破坏导致结构不宜继续承载进而使框架结构发生严重破坏甚至倒塌。因此,有必要在设计中除主轴外增加斜向角度进行地震作用下的“强柱弱梁”验算。
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