钢筋混凝土异形框架柱结构的弹塑性静力分析
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摘要
由于具有良好的建筑功能，近年来钢筋混凝土异形框架柱结构得到了较广泛的应用。但作为一种较新的结构体系，其从未经受过地震的考验。对这种结构在大震作用下的弹塑性变形分析和抗震性能方面的评估方法和试验研究都存在不足。
目前异形柱截面非线性分析都只局限在轴压比、荷载角、箍筋间距、配箍率和混凝土强度等级等因素对截面延性的影响，而没有考虑长宽比对其的影响。本文除考虑以上各种因素外，还计入长宽比这种因素对异形柱截面延性的影响；然后采用数值积分方法通过MATLAB语言编程对异形柱截面进行非线性分析，得到了L形、T形和十形截面异形柱在上述各种因素下的曲率延性比，讨论了这些因素影响下的异形柱截面延性。通过对比分析，得出了柱截面延性较好的合理长宽比。
本文通过SAP2000程序对一个实际的异形框架柱结构和相同条件下的矩形框架柱结构进行了弹塑性静力分析(push-over)，得到了两种结构形式的底部剪力一顶点位移关系和楼层的层间变形结果以及塑性铰的出铰顺序和分布情况。分析表明，通过合理的结构布置，钢筋混凝土异形框架柱结构具有较好的延性和抗震性能。同时表明，相对于弹塑性动力分析的复杂性，对结构规则、高度较小的结构进行弹塑性静力分析(push-over)在目前是一种比较合理准确评估结构抗震能力的简化方法。
Beause of good architectural function, R.C. frame structure with spacial-shaped conlumns has got relatively extensive application in the recent years. However, as a kind of comparatively new structural system, it has never experienced the test of earthquake. The evaluation method and research of the analysis of its nonlinear analysis deformation and the anti-seismic performance has shortages under large earthquake for this kind of structure.
Currently in the section nonlinear analysis of spacial-shaped columns, the influence of section ductility has been only confined with factors such as axial compression ratio, load angle, stirrup space, the ratio of stirrup and concrete strength grade but without considering long breadth ratio. This paper will take account of long breadth ratio to the influence of section ductility in addition to consideration above other factors. Then the numerical integration method has been applied in the section nonlinear analysis by the MATLAB language and the curvature ductility ratio of L shape,T shape and + shape is calculated from it, and the influence of section ductility is argued under those factors. The reasonable long breadth ratio of the better ductile section is gained from the contrastive analysis.
The nonlinear static analysis of a R.C. frame structure with special-shaped columns and a R.C. frame structure with rectangular columns under the same conditions by the progaram SAP2000 has got the relation of base shear -top displacement and the deformed results of the floors and the occurrence sequence of plastic hinges and their distribution. This paper suggests that R.C. framed structure with special-shaped columns has relatively good ductility and the anti-seismic performance if through reasonable structural arrangement. At the same time, it suggests that for the regularly structural and multistory building, the nonlinear static analysis is a currently reasonable and accurate simplified way that evaluates the anti-seismic performance of structure compared to the complexity of nonlinear dynamic analysis
目前异形柱截面非线性分析都只局限在轴压比、荷载角、箍筋间距、配箍率和混凝土强度等级等因素对截面延性的影响，而没有考虑长宽比对其的影响。本文除考虑以上各种因素外，还计入长宽比这种因素对异形柱截面延性的影响；然后采用数值积分方法通过MATLAB语言编程对异形柱截面进行非线性分析，得到了L形、T形和十形截面异形柱在上述各种因素下的曲率延性比，讨论了这些因素影响下的异形柱截面延性。通过对比分析，得出了柱截面延性较好的合理长宽比。
本文通过SAP2000程序对一个实际的异形框架柱结构和相同条件下的矩形框架柱结构进行了弹塑性静力分析(push-over)，得到了两种结构形式的底部剪力一顶点位移关系和楼层的层间变形结果以及塑性铰的出铰顺序和分布情况。分析表明，通过合理的结构布置，钢筋混凝土异形框架柱结构具有较好的延性和抗震性能。同时表明，相对于弹塑性动力分析的复杂性，对结构规则、高度较小的结构进行弹塑性静力分析(push-over)在目前是一种比较合理准确评估结构抗震能力的简化方法。
Beause of good architectural function, R.C. frame structure with spacial-shaped conlumns has got relatively extensive application in the recent years. However, as a kind of comparatively new structural system, it has never experienced the test of earthquake. The evaluation method and research of the analysis of its nonlinear analysis deformation and the anti-seismic performance has shortages under large earthquake for this kind of structure.
Currently in the section nonlinear analysis of spacial-shaped columns, the influence of section ductility has been only confined with factors such as axial compression ratio, load angle, stirrup space, the ratio of stirrup and concrete strength grade but without considering long breadth ratio. This paper will take account of long breadth ratio to the influence of section ductility in addition to consideration above other factors. Then the numerical integration method has been applied in the section nonlinear analysis by the MATLAB language and the curvature ductility ratio of L shape,T shape and + shape is calculated from it, and the influence of section ductility is argued under those factors. The reasonable long breadth ratio of the better ductile section is gained from the contrastive analysis.
The nonlinear static analysis of a R.C. frame structure with special-shaped columns and a R.C. frame structure with rectangular columns under the same conditions by the progaram SAP2000 has got the relation of base shear -top displacement and the deformed results of the floors and the occurrence sequence of plastic hinges and their distribution. This paper suggests that R.C. framed structure with special-shaped columns has relatively good ductility and the anti-seismic performance if through reasonable structural arrangement. At the same time, it suggests that for the regularly structural and multistory building, the nonlinear static analysis is a currently reasonable and accurate simplified way that evaluates the anti-seismic performance of structure compared to the complexity of nonlinear dynamic analysis
引文
[1]《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001)
[2]《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)
[3]王振武，何培玲，赵艳静．十字形截面钢筋砼双向压弯构件正截面承载力的研究[J]．建筑结构．1999(1)
[4]张玉秋，陈云霞．钢筋砼异截面形柱正截面承载力简化计算[J]．建筑结构，1999(1)
[5]曹祖同，陈云霞等．钢筋混凝土异形柱框架节点强度的研究[J]．建筑结构，1999(1)
[6]赵艳静，陈云霞，王玲勇．钢筋砼异形截面双向压弯柱延性性能的理论研究[J]．建筑结构，1999，1(1)
[7]何培玲，赵艳静，王振武．十字形截面钢筋混凝土双向压弯柱延性的实验及理论研究[J]．建筑结构，1999，1(1)
[8]陈云霞，刘超等．T形、L形截面钢筋砼双向压弯构件正截面承载力的研究[J]．建筑结构．1999(1)
[9]徐向东，康谷贻，姚石良．单周及低周反复荷载作用下T形截面框架柱受剪性能的实验研究[J]．建筑结构，1999(1)
[10]巩长江，康谷贻，姚石良．L形截面钢筋砼框架柱受剪性能的实验研究[J]．建筑结构，1999(1)
[11]曹万林，王光远等．周期反复荷载作用下钢筋混凝土十宇形柱的性能[J]．地震工程与工程振动．1994，14(3)
[12]曹万林，王光远等．不同方向周期反复荷载作用下L形柱的性能[J]．地震工程与工程振动．1995，15(1)
[13]曹万林，王光远等．不同方向周期反复荷载作用下T形柱的性能[J]．地震工程与工程振动，1995，15(4)
[14]刘军进等．9层(带转换层)钢筋混凝土异形框架柱结构模型振动台试验研究[J]．建筑结构学报．2002，1(23)，1
[15]曹万林等．增强异形框架柱结构抗震耗能能力的研究[J]．世界地震工程．1995．1
[16]曹万林等．钢筋混凝土异形框架柱结构抗震设计的若干措施[J]．世界地
震工程．2000，1(18)
[17]黄雅捷等．钢筋混凝土异形框架柱结构抗震试验与分析[J]．建筑结构．2002，1 (32)
[18]种迅．基于性能抗震设计中建筑结构弹塑性反应简化分析方法研究．合肥工业大学硕士学位论文．2002．2
[19]郭继武．建筑抗震设计．高等教育出版社．1990
[20]江见鲸等．混凝土结构．中国建筑工业出版社．1998
[21]朱伯龙等．钢筋混凝土非线性分析．同济大学出版社．1984
[22]曹万林，庞国新等．钢筋混凝土十形柱的非线性分析[J]．世界地震工程，1995(3)
[23]曹万林，尹恩太等．钢筋混凝土L形柱的非线性分析[J]．世界地震工程，1995(4)
[24]曹万林，高树军等．钢筋混凝土T形柱的非线性分析[J]．世界地震工程，1996(1)
[25]江见鲸．钢筋混凝土结构非线形有限元分析．陕西科学技术出版．1994
[26]过镇海．钢筋混凝土原理。清华大学出版社．1999
[27]赵国藩．高等钢筋混凝土结构学．中国电力出版社．1999
[28]赵勇．梁式转换层异形框架柱结构静力弹塑性分析．四川大学硕士学位论文．2003．5
[29]SAP2000 Intergrated Software for Structural Analysis and Design Analysis Reference Manual. Computer and Structures,Inc. Berkeley, California,. USA. Version 8.0 july 2002
[30]SAP2000 Linear and Nonlinear Staticand Dynamic Analysis and Design of Three-Dimensional Structures Basic Analysis Reference. Computer and Structures,Inc. Berkeley, California, USA. Version 8.0 july 2002
[31]杨溥，李英民，王勇，赖明．结构静力弹塑性分析(push-over)方法的改进[J]．建筑结构学报．2002．2
[32]Helmut Krawinkler.Pros and cons of a pushover analysis of seismic performance evaluation[J].Engineering Structures,1998,20
[33]叶献国．基于非线性分析中的钢筋混凝土结构地震反应与破损的数值模拟[J]．土木工程学报．1998．4
[34]钱稼茹，罗文斌．静力弹塑性分析-基于性能/位移抗震设计的分析工具
[J]．建筑结构．2000．6
[35]叶燎原，潘文．结构静力弹塑性分析(push-over)的原理和计算实例[J]．建筑结构学报．2000．2
[36]熊向阳，戚震华．用静力超弹塑性分析(push-over)方法评估建筑结构的抗震能力[J]．工程力学增刊．2001
[37]冯峻辉，闫贵平，钟铁毅．地震工程中的静力弹塑性(pushover)分析法[J]．贵州工业大学学报．2003．4
[38]叶献国．基于非线性分析中的钢筋混凝土结构地震反应与破损的数值模拟[J]．土木工程学报．1998．4
[39]王东升，冯启民等．桥梁非线性地震反应分析若干问题研究现状[J]．地震工程与工程振动，22(1)，2002
[40]陈滔，黄宗明．钢筋混凝土框架非弹性地震反应分析模型研究进展[J]．世界地震工程，18(1)，2002
[41]Dundar C,Sabin B.Arbitrarily Shaped Reinforced Concrete M embers Subject toBiaxlal Bending and Axlal Load.Computer and Structures.1993,49 (4)
[42]Cheng-Tzu Thomas Hsu.T—Shaped Reinforced Concrete Members Under Biaxial Bending and Axial Compression. ACI Structure.July— August, 1989
[44]结构平面计算机辅助设计软件PMCAD．中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部．1999．1
[45]多层及高层建筑结构三维分析与设计软件TAT TAT-D用户手册及编程原理．中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部．1999．3
[46]叶献国，周锡元．建筑结构地震反应简化分析方法的进一步改进．合肥工业大学学报．2000．4
[47]熊向阳，戚震华．侧向荷载分布方式对静力弹塑性分析结果的影响．建筑科学．2001．10
[48]叶献国，种迅，李康宁，周锡元．Pushover方法与循环往复加载分析的研究．合肥工业大学学报．2001．12
[49]何一东．钢筋混凝土异形柱试验研究．华南理工大学硕士论文．1989
[50]曹万林等．钢筋混凝土异形柱非线性全过程分析概述[J]．世界地震工程．1996，4
[51]郭棣．宽肢异形柱的试验研究．西安建筑科技大学博士学位论文。2001．6
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