多自由度体系R-μ规律初步分析及超静定次数对结构超强的影响

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到目前为止,国内外研究者已对单自由度非弹性体系的R -μ-T规律做了较为充分的研究,得出了趋势一致的研究结论。而实际结构一般为多自由度超静定结构,由于设计和构造上一系列因素的影响,其动力反应规律远比单自由度体系的复杂。目前国内外对多自由度体系的R -μ规律的研究工作尚处于初步阶段。虽然人们从概念上认为从单自由度体系所得的R -μ规律原则上适用于多自由度体系,但到目前为止尚缺少有说服力的验证工作。对多自由度体系已完成的非线性动力分析发现多自由度体系在地震作用下存在明显超强,且影响超强的因素较多。国外抗震设计规范已将从单自由度体系获得的研究成果用于工程抗震设计,提出了地震力调节系数和与之对应的延性等级的3档可选择的方案,并根据结构类型、超静定次数等差异在地震力调节系数中考虑了不同的超强系数。但这些决策更带经验性,因为至今未见对于单自由度非弹性体系获得的R -μ-T规律是否能直接用于多自由度多次超静定非弹性体系以及R -μ-T规律与多次超静定结构超强之间的理论关系做出过有说服力的解释。基于上述现状,本文初步完成了以下研究工作:①对国内外已完成的少量关于多自由度体系R -μ规律以及结构超强的研究成果进行总结和评述。②通过对赋予不同设计用地震作用水准的9度区3跨6层钢筋混凝土框架结构在多条地震波输入下的非弹性动力反应分析,验证从单自由度体系所得的R -μ规律在多自由度体系中的适用性。③通过严格的R和μ的定义初步考察单质点悬臂柱、单层单跨框架和3跨6层框架结构这三类结构理论R -μ定量关系之间的差异。④利用动力推覆分析方法对处于我国不同烈度区的不同层数和不同跨数的钢筋混凝土平面框架结构进行超强分析,研究超静定次数对框架结构超强的影响。通过以上研究工作,本文获得主要初步结论是:①由单自由度体系获得的R -μ关系的基本趋势在多数为中长周期的多铰单自由度体系和多自由度体系中也是存在的。但在多自由度体系中与R对应的μ值在定量上可能会比单自由度体系略大。②单层单跨结构具有较高的超强值,而其他多层多跨结构的超强值受结构的层数、跨数以及结构所在的设防分区的影响不大,主要与地震作用参与组合对结构截面设计是否起控制以及柱抗弯能力增强措施的严格程度有关。③至少可对单层单跨框架结构取偏保守的超强值为2.0,对其他多层多跨结构,偏保守的超强值可取为1.5。在对应于上述超强的“极限状态”下所有的构件均未出现转动失效,且同一结构中柱相对于梁具有更高的转动失效风险。除此之外,还发现了一些对进一步优化我国规范抗震措施可能值得关注的问题:①国外规范采用的多档R_d取值方案与对应的多档延性需求相呼应的做法为设计中面对的多种不同情况提供了选择余地,有利于优化设计。我国规范对所有的设防烈度区只取一个R_d值( R_d = 2.86)的做法与国外多种选择方案的做法并没有矛盾,只不过局限性偏大,而且不利于与近年来形成的性态设计思路相贯通。②我国9度0.4g区框架结构使用的柱抗弯能力增强措施对于目前我国规范取R_d = 2.86的情况可以使框架结构在强震下极有可能形成以梁端塑性铰为主的相对较为稳定的耗能机构。若今后有可能使用多档R_d取值方案,则对于R_d大于2.86的情况可能有必要适度增大柱抗弯能力增强措施,才能继续维持目前的梁铰机构水准。
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